DE2459502A1

DE2459502A1 - Feuerung mit wenigstens einem in einer brennkammer oder einem ofenraum angeordneten brenner

Info

Publication number: DE2459502A1
Application number: DE19742459502
Authority: DE
Inventors: Minoru Asai; Mikio Ikeda; Eiji Irahara; Takehiro Takamoto
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-12-17
Publication date: 1975-07-03
Also published as: GB1492069A; FR2256374B1; FR2256374A1; BR7410898D0

Description

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Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha, Tokio/Japan

Feuerung mit wenigstens einem in einer Brennkammer oder einem Ofenraum angeordneten Brenner

Die Erfindung betrifft eine Feuerung mit wenigstens einem in einer Brennkammer oder einem Ofenraum angeordneten Brenner in der Einströmöffnung für Primär-Verbrennungsluft mit einer zu einer benachbarten Seitenwand-der Brennkammer wenigstens annähernd parallelen Strömungsrichtung, und mit wenigstens einer Einströmöffnung für Sekundär-Verbrennungsluft.

Es sind bereits verschiedene Versuche bekannt geworden, den Ausstoß an Stickoxyden bei industriellen Gas-, Öl- und Kohlefeuerungen zu vermindern, da diese Feuerungen die Hauptquelle für Luftverschmutzungen darstellen. So wurde versucht, die Verbrennung zweistufig durchzuführen, also mit getrennten Primär- und Sekundärluftströmen zu arbeiten. Es hat sich je-

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doch gezeigt, daß bei einer Steigerung der Sekundärluftzufuhr und einer Verminderung der Primärluftzufuhr zunehmend unverbrannter Brennstoff in Kohlenmonoxid und Ruß übergeht, so daß eine ausreichende Verminderung des Stickoxydausstoßes auf diese Weise nicht erreicht werden konnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feuerung der eingangs bezeichneten Gattung zu schaffen, mit der der Ausstoß an Stickoxyden drastisch gesenkt v/erden kann, ohne daß dadurch der Ausstoß an Kohlenmonoxyd und Ruß ansteigt; vielmehr sollen auch diese Abgaskomponenten nach Möglichkeit weitgehend vermindert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einströmöffnung für die Sekundärluft mit schräg zu der Seitenwand der Brennkammer gerichteter Strömungsrichtung an der der Seitenwand gegenüberliegenden Seite einer wandparallelen Ebene durch die Einströmöffnung für die Primärluft vorgesehen ist.

Durch die Zuführung von Sekundärluft wird einerseits die Verbrennung vergleichmäßigt und werden lokale Hochtemperaturzonen in den Flammgasen vermieden, so daß Stickoxyde kaum noch entstehen. Bei entsprechender Bemessung des in der erfindungsgemäßen Weise zugeführten Sekundärluftstromes wird überdies eine vollständige Verbrennung ohne Kohlenoxyd- und Rußrückstände erreicht.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er-

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geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den. zusätzlichen Ansprüchen. ........

Es zeigt ...·.,.. . . ·.

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer üblichen Kaskadenfeuerung,

Fig. 2. einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab aus der be-, kannten Feuerung gemäß Fig. .1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Einzelheit der bekannten Feuerung in Richtung der Pfeile III-III gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Einzelheit gemäß Fig. 2 aus der Richtung der Pfeile IY-IV in Fig. 2,

Fig. 5 eine der Darstellung gemäß Fig. 2 entsprechende Darstellung einer Einzelheit einer erfindungsgemäßen Feuerung,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die in Fig. 5 dargestellte Einzelheit einer erfindungsgemäßen Feuerung gemäß Pfeilen VI-YI aus Fig. 5,

Fig. 7 eine Einzelheit eines weiteren Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Feuerung in einer Darstellung gemäß den Fig. 2 und 5,

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Einzelheit aus Richtung der Pfeile VIII-VIII aus Fig. 7,

Fig. 9 eine Seitenansicht der Einzelheit gemäß Fig. 7 aus Richtung der Pfeile IX-IX aus Fig. 7 und

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Sekundärluft/Gesamtluft-Verhält-

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nis und dem Stickoxydausstoß in Millionstel des Gesamtausstoßes bei 6 % Sauerstoff in einer erfindungsgemäßen Feuerung.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird zunächst zur Veranschaulicbung der nachfolgenden Erläuterung der erfindungsgemäßen Unterschiede eine Feuerung bekannter Bauart beschrieben. Bei einer Kaskadenfeuerung der in Fig. 1 veranschaulichten Bauart sind an den unteren Enden von geneigt verlaufenden Seitenwänden b, die mit feuerfestem Stoff ausgekleidet sind, Brennereinheiten c angeordnet, die jeweils einen Ölbrenner d und Gasbrenner e sowie einen Primärluftkanal f und eine Einströmöffnung g für die Einführung der Primärluft in den Brennraum aufweisen. Es sind auch Kaskadenfeuerungen der veranschaulichten Art bekannt, bei denen jeder Brenner c um 180 umgedreht ist. In der in Fig. 1 insgesamt mit a bezeichneten Kaskadenfeuerung erfolgt die Verbrennung des durch die Brenner c eingeführten Brennstoffes entlang der geneigten Seitenwände b, die als Strahlungsflächen zu einer Wärmeabstrahlung an ein Reaktionsrohr h dienen, welches mit Katalysatoren· gefüllt ist und in der Längsmittelachse der Brennkammer angeordnet ist. Von oben wird Kohlenwasserstoff und Dacpf in den Ofenraum oder die Brennkammer eingeleitet und in Kontakt mit dem Reaktionsrohr h gebracht, so daß eine Refornierreaktion des Dampfes stattfindet. Somit werden stark wasserstoffhaltige Reaktionsprodukte erzeugt und Wasserstoffgas zun Boden der Feuerung geführt.

Wenn in einem solchen Kaskadeofen Synthesegas für Ammoniak, Methylalkohol, Äthylen od. dgl. erzeugt wird, so erreicht der

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Ofeninnenraum oder die BrennkammerQfemperaturen, die so hoch liegen, daß Stickoxyde erzeugt werden. Daher ist die von einem solchen Kaskadenofen ausgestoßene Menge an Stickoxyden gegenüber allen anderen Öfen oder Feuerungen größer, die in Ölraffinerien oder petrochemischen- Industrieanlagen verwendet werden, so daß "beispielsweise im Jahre 1974 in Japan die zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und Äthylen eingesetzten Öfen von der Verschärfung eines Gesetzes zur Beschränkung des Stickoxydgehaltes in Abgasen ausgenommen wurden.

In den Fig, 5 und 6 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die dargestellten Einzelheiten in einem Ofen der Bauart gemäß Fig. 1 Verwendung finden können. ^:

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 ist zwischen ein Ofenbett 1 und eine Ofenseitenwand 2 eine Mauerplatte 3 zur Aufnahme eines Brenners vorgesehen. Die Seitenwand 2 des Ofenraums oder der Brennkammer erstreckt sich im Beispielsfalle nach oben und bildet an ihrer Innenseite eine Strahlungsfläche. Die Oberseite der den Brenner aufnehmenden Mauerplatte 3 kann sich über die Oberseite des Ofenbettes 1 hinaus in das Ofeninnere hinein erstrecken. Im Inneren der Mauerplatte ist eine Einströmöffnung 5 für Primärluft vorgesehen, deren Innenwand 4 in der Kachbarschaft ihrer Mündung gegen die Seitenwand 2 des Ofenraumes oder der Brennkammer geneigt ist. Im Inneren der Einströmöffnung 5 für Primär luft ist eine Trennwand 6 vorgesehen, so daß die Einströmöffnung 5 in zwei Räume unterteilt wird. In einem dieser beiden Räume ist eine Mehr-

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zahl von Gasbrennern 7 derart angeordnet, daß ihre oberen Enden bzw. Düsen im wesentlichen in Höhe des oberen Randes der Trennwand 6 liegen. Im anderen von der Trennwand 6 gebildeten Raum ist ein Ölbrenner 8 derart angeordnet, daß sein oberes Ende bzw. seine Düse etwas unterhalb des Bodens des zugehörigen Trennrauraes der Einströmöffnung 5, und damit auch unterhalb des Bodens der Kauerplatte 3» liegt. Die Einströmöffnung 5 für die Prinärluft steht mit einem Luftkanal oder Luftkasten 10 für die Primärluft in Verbindung, der mit einer· Drosselklappe 9 versehen ist.

Im Inneren der Ilauerplatte 3, jedoch an der von der Seitenwand entfernten Seite der Kauerplatte 3, sind vier Einströmöffnungen für Sekundärluft vorgesehen, deren jede schräg nach oben geneigt zur Seitenwand 2 des Ofenraumes oder der Brennkammer verläuft und mit einem Luftkanal oder Luftkasten 14 für Sekundärluft mit einer Drosselklappe 13 in Verbindung steht. Wesentlich ist, daß die Anordnung und Ausbildung der Einströmöffnungen 12 für die Sekundärluft derart gewählt werden, daß die Sekundärluft, wie durch die unterbrochenen Pfeillinien A und B in Fig. 5 angedeutet ist, nicht in die Flamme im Brennraum eindringt und daß sie eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes herbeiführt. Pur den vorliegenden Beispielsfall bezeichnen die Pfeile A und B die untere und obere Grenze, in der Sekundärluft auf die Innenfläche der Seitenwand 2 auftrifft.

Das Gas wird durch die Gasbrenner 7 und das Öl durch die Ölbrenner 8 eingeführt, während Primärluft durch die Einström-

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öffnung 5 in das Innere der Brennkammer gelangt und Sekundärluft durch die Einströmöffnungen 12 in eine zwischen den gebrochenen Pfeilen A und B liegende Zone des Brennraumes eingeblasen wird, so daß die Verbrennung im Ofen stattfindet.

Das bei der Flammbildung durch die Primärluft unverbrannte Brennstoffgemenge strömt entlang der Seitenwand 2 des Brennraumes nach oben und wird durch Wärmestrahlung von der Seitenwand 2 her über seinen Flammpunkt hinaus erhitzt, so daß unverbrannter Brennstoff mit der Sekundärluft vollständig verbrennen kann. Selbst also dann, wenn die Zufuhr an Primärluft erheblich vermindert wird, so daß der Anteil an Sekundärluft zwischen 60 und 90 >o der Gesamtluftmenge liegt, kann die Verbrennung ohne Kohlenmonoxyd- oder Rußentwicklung ablaufen. Yfenn eine große Menge an Sekundärluft in den Ofen eingeblasen wird, so hängt die Verbrennung von der Verteilung der Sekundärluft im Brennraum ab und ist eine überschnelle Verbrennung vermieden. Daher gibt es keine Stellen in den Flammgasen, die sich über Gebühr erhitzen, so daß eine Erzeugung von Stickoxyden erheblich verringert werden kann.

"u'enn der Querschnitt des Sekundärluftstromes durch eine Einströmöffnung 12 in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung der Sekundärluft dreieckig ausgebildet wird, so daß die Spitze, wie in Fig. 6 veranschaulicht, nach oben zeigt, so erfolgt eine sehr wirkungsvolle Zuführung der Sekundärluft in den Bereich, in dem eine große Brennstoffmenge vorliegt, so daß die Verbrennung mit einem im wesentlichen konstanten Brenn-

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stoff-Luft-Gemisch erfolgen kann.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7 bis 9 entspricht der Grundaufbau demjenigen des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 5 und 6, wobei für entsprechende Bauteile auch gleiche Eezugszeichen gewählt sind. Der wesentliche Unterschied zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht in der Ausbildung der Einströmöffnungen 12. Zwischen die Mauerplatte 3 und das Ofenbett 1 sind zwei Mauerplatten 15 mit je einer Einströmöffnung 12 für Sekundärluft eingefügt. Dabei ragen die Oberseiten der Mauerplatten 15 in der in Fig. 9 veranschaulichten Weise über die Oberseite der Mauerplatte 3 hinaus in das Innere der Brennkammer hinein und sind die Mauerplatten 15 in einem vorbestimmten Abstand 1 voneinander angeordnet, so daß zwischen ihnen eine zustromfreie Zone 16 bleibt. Jede der Mauerplatten ist mit einer eigenen Einströmöffnung 12 für Sekundärluft versehen, deren Innenwand 11 ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 "und 6 nach oben gegen die Seitenwand 2 der Brennkammer geneigt ist und mit einem Luftkasten oder Luftkanal 17 in Verbindung steht, dessen Zustrom durch die Drosselklappe 13 steuerbar ist.

Die Arbeitsweise der Feuerung nach dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 bis 9 entspricht im wesentlichen derjenigen des ersten Ausführungsbeispieles. Auch hier ist wesentlich, die Anordnung und Ausbildung der Einströmöffnungen 12 für Sekundärluft so zu wählen, daß Sekundärluft erst im Abstand stromab des Flammbereichs der Verbrennung mit der Primärluft auf die Sei-

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tenwand 2 auftrifft und andererseits als obere Grenze an einer Stelle auf die Seitenwand auftrifft, an der der unverbrannte Brennstoff in den Flamingasen seine Flammtemperatur durch War-* me strahlung· von der benachbarten Seitenwand 2 her überschritt ten hat und mit der Sekundärluft verbrannt wird, Auf diese Weise findet ebenso wie im Falle des ersten Ausführungsbeispieles eine vollständige Verbrennung ohne Erzeugung von Kohlenmonoxyd oder Ruß statt und kann der Ausstoß an Stickoxyden stark vermindert werden.

Die Kündung der Einströmöffnungen 12 für die Sekundärluft liegt oberhalb der Oberseite der Kauerplatte 3, so daß die Sekundärluft nicht mit der Primärluft und den Brennstoffstrahlen verwirbelt wird. Als Folge hiervon ist eine Verbrennung mit Sekundärluft im unteren Bereich nahe der Mauerplatte 3 vermieden und erfolgt eine Verbrennung mit der Sekundärluft erst an der stark strahlenden Innenfläche der Seitenwand 2 im Abstand oberhalb der Oberseite der Kauerplatte 3. Die zustromfreie Zone 16 zwischen den Mauerplatten 15 bewirkt, daß die eingeblasene Sekundärluft Flämmgase mit einem niedrigen Sauerstoff-Partialdruek mitreißt, so daß der Säuerstoff-Partialdruck in dem Bereich unterhalb der Strahlungsfläche der Seitenwand 2 abnimmt. Als Folge hiervon wird die Verbrennung verzögert. Darüberhinaus wird die Sekudärluft entlang des Hauptstromes der Flamm— oder Brenngase im Brennraum zugeführt, so daß die zugeführte Sekundärluft in gleichmäßigem Fluß nach oben strömt^ ohne die Aufwärtsströmung des Brennstoffes zu behindern. Dabei können gegenseitige Störungen der Luftstrahlen und der Brennstoffstrahlen sicher

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verhindert werden, so daß eine Rußerzeugung durch Verkohlung des verzögerten Brennstoffes sicher vermieden ist. Barüberhinaus sind Aussetzer oder Fehlzündungen der Brenner 7 und 8 durch Rußbelag an der Seitenwand 2 des Ofenraumes vermieden.

In Fig. 10 ist graphisch die Abhängigkeit zwischen dem Sekundärluft /Gesamtluft-Yerhältnis und dem Stickoxydgehalt bei 6 % Sauerstoff in erfindungsgemäßen Feuerungen veranschaulicht. Wie daraus ohne weiteres sichtbar wird, fällt die Stickoxyderzeugung mit einem Anstieg der Sekundärluftmenge entsprechend ab. An der linken Seite der Darstellung, bei einem Sekundärluft/G-esamtluft-Terhältnis von 0 ?S sind die Verhältnisse bei einem bekannten Trenner etwa gemäß den Fig. 1 bis 4 ersichtlich.

Selbstverständlich sind mamigfache Abweichungen von den dargestellten und erläuterten Ausführungsbeispielen im Rahmen der Erfindung möglich. So sind zwar beim ersten Ausführungsbeispiel vier F-inströmöffnungen und beim zweiten Ausführungsbeispiel zv/ei Einströmöffnungen für Sekundärluft veranschaulicht; jedoch könnte beim ersten Ausführungsbeispiel jede beliebige Anzahl von Einströnöffnungen 12, so etwa auch nur eine einzige, ge\\rählt v/erden, während" beirr, zweiten Ausführungsbeispiel auch eine zwei übersteigende Kehrzahl von Einströmöffnungen vorgesehen v/erden könnte. Je größer die Anzahl an Einströmöffnungen für Sekundärluft ist, un so gleichmäßiger wird die Verbrennung entlang der Strahlungsfläche an der Innenseite der Seitenwand Auch der Querschnitt der !-^indungen der Einströmöffnungen 12 braucht nicht dreiecksförnig oder quadratisch wie im Falle der

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Ausführungsbeispiele sein; in Abhängigkeit von den Brennstoffarten, der Ausbildung der benachbarten Seitenwand 2 der Brennkammer und den sonstigen Gegebenheiten des Einzelfalles kann jede Querschnittsausbildung gewählt werden. Ebenso kann anstelle der beiden Mauerplatten 15 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel auch nur eine einzige Mauerplatte mit einer entsprechenden Anzahl,.im Beispielsfalle zwei Einströmöffnungen 12 mit einer zustromfreien Zone 16 zwischen ihnen vorgesehen werden. Auch kann anstelle der Mauerplatten jede hitzebeständige Legierung als Werkstoff benutzt werden. Anstelle einer nach oben gerichteten Einströmung von Brennstoff, Primärluft und Sekundärluft, kann auch eine Einströmung durch nach unten gerichtete Öl- und Gasbrenner erfolgen und können die Einströmöffnungen und 12 für Primärluft und Sekundärluft statt im O^fenbett 1 in der Ofendecke vorgesehen sein. Die Einströmöffnungen für die Sekundärluft können auch, in der Seitenwand des Ofens gegenüber der Strahlungsfläche angeordnet werden, so daß eine seitliche oder horizontale Verbrennung stattfindet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Feuerung mit der speziellen Einführung von Sekundärluft wird als häuptsächlicher Vorteil erreicht, daß der Ausstoß an Stickoxyden ohne eine gleichzeitige Erzeugung von Kohlenmonoxyden und Ruß um 80 bis 90 ^c/a gegenüber bekannten Brennern vermindert wird.

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

1. feuerung mit wenigstens einem in einer Brennkammer oder einem Ofenraum angeordneten Brenner in der Einströmöffnung für Primär- Verbrennungsluft mit einer zu einer benachbarten Seitenwand der Brennkammer wenigstens annähernd parallelen Strömungsrichtung, und mit wenigstens einer Kinstromöffnung für Sekundärluft, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnung (12) für die Sekundärluft mit schräg zu der Seitenwand (2) der Brennkammer gerichteter Strömungsrichtung an der der Seitenwand (2) gegenüberliegenden Seite einer wandparallelen Ebene durch die

■ Einströmöffnung (5) für die Primärluft vorgesehen ist.

2. Feuerung nach Anspruch 1, da-durch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnungen (5, 12) für die Primärluft und die Sekundärluft in einem an die benachbarte Seitenwand (2) unmittelbar anschließenden, eigenen Bauteil (Mauerplatte 3, Mauerplatten 15) vorgesehen sind.

3. Feuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnungen (5, 12) für Primärluft und Sekundärluft im Inneren der Brennkammer im Abstand von den Brennkammerwänden (Ofenbett 1, Seitenwand 2) münden.

4. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet., daß die Strömung der Sekundärluft in einem solchen Winkel zur benachbarten Seitenwand (2) der Brennkammer geneigt ist, daß eine Zumischung der Sekundärluft zu den Flammgasen erst

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stromab des Flammbereichs der Verbrennung mit Primärluft erfolgt.

5. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Sekundärluft in einem solchen Winkel zur benachbarten. Seitenwand (2) der Brennkammer geneigt ist, daß die Zumischung der Sekundärluft zu den Flammgasen erst stromab der Stelle endet, an der der unverbrannte Brennstoff in den Flammgasen seine Flammtemperatur durch Wärmestrahlung von der benachbarten Seitenwand. (2) her überschritten hat.

6. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung der Sekundärluft aufwärts gerichtet ist.

7. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß. die Einströmöffnungen (5, 12) für die Sekundärluft und die Primärluft am Boden (Ofenbett 1) der Brennkammer angeordnet sind. . .

8. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnungen (5, 12) für Sekundärluft und für Primärluft an der Decke der Brennkammer angeordnet sind.

9. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnung (12) für Sekundärluft stromab der Einströmöffnung (5) für Primärluft mündet.

10. Feuerung nach einem der Ansprüche .1 bis 9, dadurch gekennzeich-

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net, daß eine Mehrzahl von Einstr.ömöffnungen (12) für Sekundärluft in zur "benachbarten Seitenwand (2) wenigstens annähernd paralleler Richtung angeordnet ist.

11. Feuerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluftströmungen auf die Seitenbereiche des stromab expandierenden und verwirbelnden Flämmgas stromes gerichtet sind.

12. Feuerung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Sekundärluftströmungen zueinander wenigstens annähernd parallel verlaufen und die Eintrittsöffnungen (12) zur Erzeugung einer zustromfreien Zone (16) einen vorbestimmten Abstand (l) voneinander aufweisen.

^!3. Feuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströnöffnungen (12) für Sekundärluft mit der Oberseite eines Luftkastens (14; 17) oder Luftkanals für Sekundärluft in Verbindung stehen.

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