DE2653404A1

DE2653404A1 - Verfahren und brenner zum verbrennen von fluessigem brennstoff, insbesondere oel

Info

Publication number: DE2653404A1
Application number: DE19762653404
Authority: DE
Inventors: Donald Anson
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1975-11-24
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1977-05-26
Also published as: US4023921A; ZA766995B; AU1993276A; JPS6011287B2; JPS5276737A; FR2332493A1; CA1043246A

Description

ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
Palo Alto, Ca₄, V.St.A.
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" Verfahren und Brenner zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff, insbesondere öl "

Priorität: 24. 11. 1975, V.St.A., Nr. 634 702

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Brenner zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff, insbesondere öl, ζ. B. in einer Brennkammer, einem Ofen oder dergleichen.

Ein ölbrenner umfaßt gewöhnlich einen Zerstäuber, eine Luftzuführung und einen Stabilisator. Als Zerstäuber kann ein Druckdüsensystem Anwendung finden, bei dem die Druckenergie in der ölzuführung ausgenutzt oder.aber ein aweites Strömungsmedium (Dampf oder .Luft) zur Erzeugung einer feinen Dispersion des Öls oder zur Unterstützung der Druckdüsenwirkung verwendet wird« Die Luftzufuhr ist wesentlich für die Verbrennung. Um ein schnelles Vermischen von Brennstoff und Luft zu gewährlei-

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T st en., wird die Luft normalerweise in. stark verwirbeltem Zustand zugeführt« Der Stabilisator dient dazu, innerhalb der zugeführten verwirbelten Luft für eine ruhige bzw. kreisende Strömungs* zone zu sorgen, in der eine"Flamme entzündet und erhalten werden kann. Als Stabilisator dient gewöhnlich ein breiter Körper oder Ablenkkörper (bluff body), der innerhalb des Luftstroms angeordnet und so gestaltet ist, daß er die erforderliche ruhige Strömungszone erzeugt. Ein solcher in dem Brennraum eines Kessels oder Ofens angeordneter Stabilisator ist Schaden durch War—

TO me und Korrosion ausgesetzt. Derartige Schaden treten besonders am Stabilisator eines Brenners ein, der außer Betrieb ist, sich aber in einem heißen Ofen befindet, in dem andere Brenner in Betrieb sind. Ein weiterer Nachteil eines solchen Stabilisators in Form eines Ablenkkörpers ist darin- zu sehen, daß er zwangs-

T5 läufig die Hauptluftströmung behindert.

Stickstoffoxide sind für die Luftverschmutzung hauptverantwortlich. Ölbrenner, die für eine Unterdrückung der Bildung von . Stickstoffoxiden ausgelegt wurden, sind bekannt, in denen ein ölstrahl durch einen mittleren Kanal in eine Flamme eingeführt wird, während mit Luft vermischte Abgase durch den mittleren Kanal umgebende Kanäle eingeleitet werden. Die US-PS 37 ^3 ^71

• zeigt z. B. einen solchen ölbrenner, der zu diesem Zweck eine relativ große Menge Abgas braucht» Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung der Bildung von Stickstoffoxiden unter Verwendung von Abgasen in einem mit Brennöl arbeitenden Verbrennungsprozeß sind in der US-PS 33 68 211 beschrieben. Die US-PS 38 80 570 beschreibt ein Verfahren zum Zerstäuben von Heizöl und zur ^Ver-

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brennung von im Kreislauf zurückgeführten Abgasen, um die Bildung Ton Stickstoffoxiden auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit denen unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren und Brenner die Bildung von Stickstoffoxiden mindestens vermindert und eine stabile Flamme geschaffen werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 6.

Nach der Erfindung wird das Brennöl so eingespritzt, z» B. mittels einer Einspritzvorrichtung, daß sich ein konisch divergierender Strahl aus einem dünnen Film oder Sprühnebel aus öl bildet, während ein kleiner Luftstrom mit relativ höherer Geschwindigkeit konzentrisch um die Mündung der Einspritzvorrichtung in eine erste Flammenzone in einer solchen Menge eingeleitet wird, daß nur ein geringer Teil des Brennöls in der ersten Flammenzone verbrannt wird. Die so eingeführte Luft durchschneidet oder durchsetzt den Ölsprühnebel und erzeugt eine torusförmige Zirkulationsströmung der Fluide, wobei der flüssige Brennstoff zerstäubt und eine stabile Flamme gebildet wird. Eine geringe Menge an rückgeführten Abgasen wird unmittelbar danach konzentrisch um die erste Flammenzone herum in der allgemeinen Strömungsrichtung der Fluide eingeführt. Die ausströmenden Fluide strömen in einer im wesentlichen geradlinigen Bahn in eine zweite Flammenzone. Luft mit relativ niedrigerer Geschwindigkeit wird konzentrisch um das Cramisch in

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die zweite Flammenzone in einer Menge eingeführt, die zumindest ausreicht, um die restlichen brennbaren Stoffe zu verbrennen. Durch die begrenzte Sauerstoffzufuhr in der ersten Flammenzone und die Beimischung des rückgeführten Abgases wird die Flam-

-5 mentemperatur beschränkt und die Bildung von Stickstoffoxiden im Abgas wesentlich herabgesetzt»

Zusätzlich zu den Hauptvorteilen, daß die Bildung von Stickstoffoxiden im wesentlichen vermieden wird, und eine stabile

^ Flamme ohne Vorsehen eines stabilisierenden Ablenkkörpers geschaffen wird, sind mit der Erfindung noch folgende Vorteile erzielbar:

Ih der ersten Flammenzone kann eine stabile Flamme bereits mit einer kleinen Luftmenge erzeugt werden. Deshalb wird die Menge

^ an rückgeführten Abgasen, die zur Unterdrückung der Bildung von Stickstoffoxiden erforderlich ist, wesentlich reduziert. Dies ist besonders von Vorteil, wenn hohe BrennstoffStrömungsgeschwindigkeiten herrschen und keine großen Mengen rückgeführter Abgase zur Verfügung stehen.

Der Hochgeschwindigkeitsluftstrom, der zur Lufteinspeisung in die erste Flammenzone und außerdem als Kühlmittel für die Einspritzvorrichtung dienen kann, kann kontinuierlich aufrechterhalten werden, ohne die Verbrennung zu behindern oder zu einem unwirtschaftlichen Betrieb in einem Mehrfachbrennerofen beizutragen. - *

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß Brennerzusatzteile, L .

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Flammendetektoren und Zündvorrichtungen, innerhalb des Kanals für die Zuführung von Hochgeschwindigkeitsluft untergebracht und auch vor Hitze geschützt werden können.

Ferner ist ein weiterer Vorteil, daß der Brenneraustritt bei Anwendung eines kontinuierlichen Gasstromes im wesentlichen sauber, insbesondere rußfrei gehalten werden kann, da der kontinuierliche Gasstrom die Ansammlung von Fremdkörpern im wesentlichen verhindert.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines bevorzugten Brenners. Der Brenner 10 nach der Zeichnung ist in einer Ofenwand 12 angebracht, um eine Flamme längs eines axialen Brennweges in das Innere eines Ofens I¹J zu lenken. Ein Ofen kann mit einer Vielzahl von solchen Brennern ausgestattet sein, von denen ein Teil abgestellt werden kann, wenn eine geringere Wärmeleistung erforderlich ist. Der Brenner 10 erzeugt mit einem aus ihm ausströmenden Fluid im Betrieb eine Flamme, die angrenzend an den

Brenner 10 eine begrenzte erste Flammenzone bildet, in der Brennöl teilweise verbrannt wirdjUnd eine zweite Flammenzone umfaßt, die in Form einer relativ langen Feder die erste Flammenzone umgibt und sich über diese hinaus erstreckt; vgl. die Zeichnung» Das gesamte in die erste Flammenzone einströmende Fluid muß auch durch die zweite Flammenzone längs der Verbrennungsbahn strömen. Der in der Figur gezeigte Brenner 10 umfaßt

eine Einspritzvorrichtung 16 zur Erzeugung eines konisch df-

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vergierenden ölsprühnebelstrahles, einen die Einspritzvorrichtung l6 umgebenden, mit einer Verengung 19 versehenen ring-

Gaskanal
förmigen Gaskanal 18, einen den 18 umgebenden Ringkanal 20 für die Zufuhr von rückgeführten Abgasen und einen den Ringkanal 20 umgebenden äußeren Ringkanal 22 für die Zufuhr von
Luft. -.' / ' /

Der ringförmige Gaskanal 18 kann mit einer Spitze 24 versehen sein, die einen sich nach außen erweiternden Öffnungsquerschnitt

"Ό ergibt. Die Einspritzvorrichtung 16 weist zusätzlich oder alternativ eine Erweiterung oder einen Verwirbler 26 auf. Diese Anordnung aus den Teilen 24 und/oder 26 bildet aus dem durch
den Gaskanal 18 zugeführten Gas einen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Strahl mit einem Strömungsbild bzw. Strahlgrenzen, die breiter ausfächern als diejenigen eines aus einem axialen Kanal austretenden Strahles. Solange das Gas durch den Gaskanal l8 mit einer höheren Geschwindigkeit in die Flamme eingespritzt wird, als die Fluide, die durch die unmittelbar angrenzenden Kanäle injiziert werden, und sich die Fluidströ-

mungsmuster durchschneiden, entsteht die gesagte torusförmige

• Zirkulationsströmung unmittelbar vor der Einspritzvorrichtung 16 längs der Verbrennungsbahnj vgl« die Zeichnung. Das den
Brennstoffsprühnebel durchsetzende in'jizierte Gas unterstützt die Zerstäubung.'Die Zirkulationsströmung fördert-.die Bildung einer stabilen-Flamme. Der ringförmige Gaskanal 18 hat vorzugsweise einen mittleren Radius von ungefähr dem 0,1- bis
0_t4fachen des mittleren Radius des äußeren Ringkanals 22 für
..die Haupt luft zufuhr.

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- ψ - /O

Der VerbrennungsVorgang mit dem Brenner nach der Erfindung verläuft folgendermaßen. Ein konisch divergierender Strahl eines ölsprühnebels wird in die erste Flammenzone eingespritzt, während ein ringförmiger Gasstrom mit einer relativ höheren Geschwindigkeit in die erste Flammenzone gerichtet wird und dabei den konisch divergierenden Strahl des Ölsprühnebels durchschneidet. Der so gebildete Gasstrom zerstäubt oder unterstützt die Zerstäubung des Öls, so daß ein Fluidgemisch gebildet wird, und liefert in ausreichender Menge Sauerstoff, um das Fluidgemisch zu entzünden und eine stabile, aber brennstoffreiche Flamme in der ersten Flammenzone auszubilden»

Der in Form eines ringförmigen Strahls um die Achse des Verteilers mit hoher Geschwindigkeit eingespeiste Luftstrom erzeugt im Bereich innerhalb der konischen Bahn, längs welcher das öl injiziert wird, eine zirkulierende Rückströmung oder Zirkulationsströmung ähnlich einer Totwasserströmung (vgl. die Zeichnung) vor dem Verteiler. Diese Zirkulationsströmung bildet einen stabilisierenden Bereich, innerhalb dessen eine Flam-

²^ me entzündet und aufrechterhalten nrerden kann, ohne daß es nötig ist, einen Prall- oder Ablenkkörper in den Hauptluftstrom einsetzen zu müssen.

Ferner wird ein Ringstrom aus relativ kühlen rückgeführten Abgasen radial außerhalb des stabilisierenden Bereichs,_v d.h.

außerhalb der ersten Flammenzone eingeführt. Durch'die Verwirbelung werden die rückgeführten Abgase in das Gemisch hineingezogen und erhöhen damit im wesentlichen die molare Menge* der

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aus der ersten Flammenzone abströmenden Fluide, ohne die Sauerstoffzufuhr merklich zu erhöhen.

Der Hauptluftstrom wird vorzugsweise in die zweite Flammenzone durch Injizieren parallel zur Brennerachse und radial außerhalb der mit hoher Geschwindigkeit in der- ersten Flammenzone strömenden Fluide zugeführt. Das Gemisch aus abfließenden Fluiden und rückgeführten Abgasen vereinigt sich in der zweiten Flammenzone mit dem Hauptstrom von in zumindest stöehiometrischer Menge zugeführter Luft zur vollständigen Verbrennung, wobei Abgase mit geringerem Gehalt an Stickstoffoxiden entstehen.

Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion sind die Abmessungen des Brenners im Vergleich zu Brennern, die Ablenkkörper als Stabilisatoren benutzen, herabgesetzt, denn der Hauptluftstrom ist weniger behindert. Da die Zerstäubung durch die mit hoher Geschwindigkeit hilfsweise zugeführte Luft sichergestellt ist, wird die Verwendung einer Niederdruckölzuführung im Verteiler oder eines Verspühers möglich, der den Brerinstoff nicht unbedingt selbst zerstäuben muß.

Während der Verbrennung ist die Menge an rückgeführten Abgasen, die man den aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluiden zum Beimischen zuführt, der Menge der aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluide vergleichbar. Ein Bereich der Verhältnisse von ungefähr dem 1-fachen bis ungefähr dem 4-fachen ist zürn Beispiel zweckmäßig. Im allgemeinen übersteigt jedoch die Gesamtmenge, die in die-erste Flammenzone·

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eingeführt wird, nicht 20 % der Gesamtmenge, die in die erste und die zweite Flammenzone eingeführt wird. Die Temperatur der rückgeführten Abgase liegt vorzugsweise unter etwa 32O°C und im allgemeinen nicht unter 120⁰C.

Die rückgeführten Abgase, die mit den aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluiden vermischt werden, wirken als inerte "verdünnende" Gase, die einen Teil der in der ersten Flammenzone entstandenen Wärme aufnehmen und das Vermischen von Luftsauerstoff

rückgeführten Abgase

und Stickstoff der / so lange hinauszögern, bis die brennstoffreichen, aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluide auf eine Temperatur abgekühlt sind, bei der sich Stickstoffoxide nicht mehr bilden können,

In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann der die torusförmige Zirkulationsströmung bildende Gasstrom hoher Geschwindigkeit ein Luftstrom mit einem Volumen sein, das wesentlich unter dem Gesamtvolumen aller längs der Verbrennungsbahn der Flamme strömenden Fluide liegt. Diese mit hoher Geschwindigkeit in die erste Flammenzone eingespeiste, eine stabile Flamme bildende Luft wird in einer Menge zugeführt, die ausreicht, um etwa 2 bis 10 %_t vorzugsweise etwa 5 bis 6 % des stöchiometrischen Sauerstoffbedarfs zu decken.

Da in der ersten Flammenzone eine stabile Flamme durch Zuführen von sauerstoffarmem Gas gebildet wird, kann die Steuerung . des Brenners vereinfacht werden. Es können z. B. die Strömungs- geschwindigkeit des Brennstoffes und die Luftzufuhr zur zwei-

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ten Flammenzone in einem weiten Bereich der Brennstoffströmungsverhältnisse variiert werden, ohne daß sich eine Instabilität der Flamme ergibt. Z. B. kann eine stabile Flamme typisch bei zumindest 1/5 der Brennstoffströmungsgeschwindigkeit bei VoIllast erhalten werden, so daß sich ein Herabregel-Verhältnis (turn-down ratio) von zumindest 5 : 1 ergibt« Strömungsänderungen des mit hoher Geschwindigkeit, zufließenden Luftstromes, die typisch zwischen 50 und 150 m/sec liegen.,haben keinen nachteiligen Einfluß auf die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes, wie es bei Systemen mit innerer Vermischung eines zweiten Fluids, bei denen ein Zerstäubungsfluid verwendet wird, der Fall ist. Die Anwendung eines niedrigen Öldrucks erlaubt den Einsatz großer Öldurchflußkanäle mit verminderter Blockiergefahr, Der Gesamtbedarf an Hilfsenergie für einen Brenner ist geringer als bei Systemen mit "Zureitern Fluid", bei denen Dampf verwendet wird«

Ein Brenner der beschriebenen Bauart wird mit besonderem Vorteil in einem mit mehreren Brennern versehenen Ofen eingesetzt, in dem einer oder mehrere der Brenner diskontinuierlich betrieben werden,! Zu diesem Zweck wird ein Brenner vorgesehen, der Einrichtungen zur Zuführung eines Hochgeschwindigkeitsgasstromes aufweist und für einen kontinuierlichen Betrieb während des Ofenbetriebs geeignet ist« Z. B. kann die Einspritzvorrichtung

25"i6 durch den Kanal 18 mit einem schwachen,. kontinuierlichen , Hochgeschwindigkeitsluftstrom versorgt werden, der zu allen Zeiten -während des Ofenbetriebs die Brennerteile durch Konvektion ■ kühlt, insbesondere bei niedrigen Brennst off st römungs geschw^in-

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digkeiten und während der Abschaltzeiten der Flamme, wenn die Spitze 2k aufgrund der im Ofen herrschenden hohen Temperaturen beschädigt werden kann»

Bei Verwendung von Luft ist die Menge des in den Ofen eingeführten überschüssigen Sauerstoffs, der die Verbrennung stören oder zu einem unwirtschaftlichen Betrieb beitragen könnte, relativ gering, weil das Gas durch den engen Kanal 18 in nur

kleinen Mengen zugeführt wird.
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Alternativ kann ein Brenner vorgesehen sein, bei dem ein kontinuierlicher Strom von rückgeführten Abgasen beispielsweise durch den Ringkanal 20 zugeführt xtfird, um eine Kühlung durch Konvektion zu .bewirken. Da die rückgeführten Abgase im v/es entliehen inerte Gase sind, wird kein überschüssiger Sauerstoff in den Ofen eingeführt, der zu einem unwirtschaftlichen Ofenbetrieb führen könnte«

Der beschriebene Brenner kann auch mit einer Drosselvorrichtung bzw. einem Schieber 28 zur Steuerung der Beimischung von Luft und rückgeführten Abgasen versehen sein, die durch den Ringkanal 22 eingeführt werden« Die rückgeführten Abgase v/erden in einem Speicher 30 auf einem überatmosphärischen Druck gehalten» Deshalb kann in der Zündstellung, wie sie In der oberen Hälfte der Zeichnung gezeigt ist, keine Luft durch den Ringkanal 20 zugeführt werden. Bei Abschaltstellung des Brenners, wie sie in der unteren Hälfte der Zeichnung gezeigt Ist, kann der Schieber so eingestellt sein, daß rückgeführte Abgase

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- vt -

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1 durch beide Ringkanäle 20 und 22 zum Schutz des Brenners zugeführt werden«

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Leerseite

Claims

Pate η t a η s ρ r ü c h e

(l.; Verfahren zum Verbrennen von flüssigem Brennstoff, insbesondere Öl, in einer durch einen Brenner erzeugten Flamme mit einer ersten Flammenzone in der Nähe der Brennermündung und einer zweiten, im wesentlichen die erste Flammenzone umgebenden und sich über diese hinaus erstreckenden Flammenzone, dadurch gekennzeichnet, daß man flüssigen Brennstoff kontinuierlich in die erste Flammenzone einsprüht und gleichzeitig sauerstoffhaltige Gase mit relativ hoher Geschwindigkeit derart einleitet, daß sie den versprühten Brennstoff durchsetzen und. eine torusförmige Zirkulationsströmung bilden, wobei Sauerstoff in einer Menge wesentlich unter der stöchiometrischen Menge verwendet wird, der Gasstrom den

^ flüssigen Brennstoff zu einem'Fluidgemiseh zerstäubt, der flüssige Brennstoff entzündet und in der ersten Flammenzone eine stabile Flamme unter Bildung von Abgasen gebildet wird; daß man rückgeführte Abgase mit dem aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluid unmittelbar hinter der ersten Flammenzone ' zur Erhöhung der molaren Menge des aus der ersten Flammenzone ausströmenden Fluids mischt;

und daß man anschließend in der zweiten Flammenzone das Gasgemisch in einer im wesentlichen stöchiometrischen Menge mit Luft

zur vollständigen Verbrennung vermisch... 25

2t Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die erste Flammenzone Luft mit hoher Geschwindigkeit und in einer solchen Menge eingespeist wird, daß ihr SäuerstoTfgehalt L -J

70982 170789 original inspected

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T annähernd 5 % der stöehiometrischen Menge beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß rilckgeführte Abgase bei einer Temperatur von 12O⁰C bis 320⁰C in einer Menge eingeführt werden, die der Menge des in die erste Plammenzone eingespeisten sauerstoffhaltigen Gases vergleichbar ist *

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß

rückgeführte Abgase auch in die zweite Plammenzone eingespeist werden*

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge der in die erste Plammenzone eingespeisten Luft und rückgeführter Abgase weniger als 20 % der in die erste und zweite Flammenzone eingeführten molaren Gesamtmenge beträgt«

6. Brenner zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff, insbesondere Öl, gekennzeichnet durch eine Einspritzvorrichtung (16)

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zum Einspritzen eines kontinuierlichen Sprühnebelstrahls aus flüssigem Brennstoff in den Ofenraum; einen die Einspritzvorrichtung (16) umgebenden engen, ringförmigen Gaskanal (18) zur Zuführung eines kontinuierlichen Ringstrahles von mit.hoher Gesohwindigkeit zugeführter Luft;

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einen zur Brennermündung hin sich im Durchmesser erweiternden, eingeschnürten Strömungsquerschnitt (24, 26), welcher die Einspritzvorrichtung (16) umgibt und zum Einspeisen eines Luftstromes mit hoher Geschwindigkeit und sich erweiterndem Strahl-

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querschnitt in den Sprühnebel aus flüssigem Brennstoff dient; einen den Gaskanal (18) umgebenden Ringkanal (20) zum Einspei^ sen rückgeführter Abgase in das Gemisch aus dem Sprühnebel und der Hochgeschwindigkeitsluft und einen den Ringkanal (20) umgebenden äußeren Ringkanal (22) zum Zuführen einer im wesentlichen stöchiometrischen Menge atmosphärischer Luft.

7» Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (18) für die Hochgeschwindigkeitsluft so ausgebildet ^O ist, daß er im Ofenbetrieb einen schwachen kontinuierlichen Gas strom zum Kühlen der Einspritzvorrichtung (16) zuführen kann.

8« Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (20) für die rückgeführten Abgase so ausgebildet ist, daß er im Ofenbetrieb einen kontinuierlichen Gasstrom zum Kühlen der Einspritzvorrichtung (16) zuführen kann,

9« Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (16) über einen Einstell bereich zwischen einer für Vollast bestimmten Brennstoffstpömungsgeschwindigkeit und mindestens 1/5 dieser' Geschwindigkeit einstellbar ist, wobei der enge ringförmige Gaskanal (18) über .diesen Einstellbereich hinweg einen.konstanten Luftstrom hoher

Geschwindigkeit einspeist,
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