DE3835354A1 - Hochleistungsgasbrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsgasbrenner insbeson­ dere für Erdgas zur Anwendung in Industrieöfen, vorzugsweise solchen zur Durchführung metallurgischer Schmelzprozesse, bei denen die Verbrennungsgase direkt in das Einsatzgut eingeleitet werden.

Es sind bereits Hochleistungsgasbrenner (künftig als Brenner bezeichnet) für Industrieöfen bekannt. Ein solcher bekannter Brenner besteht aus dem beidseitig offenen Brennerrohr, an des­ sen einem Ende eine Öffnung für die Luft- und Gaszuführung vor­ gesehen ist und dessen anderes Ende die in den freien Ofenraum austretende Flammenöffnung bildet. Das Brennerrohr ist von einer Mischkammer und einer Brennkammer zum Erzeugen einer Hilfsflamme umgeben, wobei die Mischkammer eine eigene Luft- Gas-Gemisch-Versorgung enthält. Auf der Höhe der Brennkammer ist das Brennerrohr geschlitzt, um das im Brennerrohr an der in der Brennkammer erzeugten Hilfsflamme vorbeiströmende Brenn­ gasgemisch ständig sicher zu zünden, so daß das mit hoher Ge­ schwindigkeit strömende Brenngas-Luftgemisch nach Verlassen der Flammöffnung im Ofenraum verbrennt (DE-OS 33 29 991).

Dieser Brenner besitzt die Mängel, daß der Ausbrand der Flamme vollständig im Ofeninneren erfolgt und daß er nur für atmosphärischen Druck geeignet ist, da er nach dem Treibgas­ prinzip arbeitet und demzufolge eine Veränderung des Brenngas- Luftgemisches während des Betriebes nicht möglich ist.

Damit ist er für Schmelzöfen, bei denen die erzeugte Wärme­ energie direkt in das Einsatzgut eingetragen werden muß, nicht geeignet.

Weiter ist ein Brenner bekannt, der eine zentrale Gaszuführung und eine äußere die Gaszuführung umschließende Kammer, der die Luft aufgegeben wird, aufweist. Der Kammer ist eine Mischkam­ mer nachgeordnet, in die die Gaszuführung und der Luftkanal münden. An die konisch auslaufende Mischkammer schließt sich das Brennerrohr an. Im Brennerrohr ist ein mit einer Haupt­ düse versehener kegelstumpfartiger Einsatz angeordnet, auf dessen Kegelmantel Bohrungen in einem bestimmten Winkel zur Achse des Brennerrohres angeordnet sind. Das in der Mischkam­ mer hergestellte Brenngas-Luftgemisch strömt durch die Haupt­ düse und ein Teil durch die Bohrungen des Kegelmantels. Nach der Zündung bildet sich zwischen dem Kegelmantel und der Wand des Brennerrohres eine stabile Zündflamme aus, mit der der Hauptstrom gezündet wird (DD-PS 92 297).

Dieser Brenner weist den Mangel auf, daß die für Schmelzpro­ zesse erforderliche Flammgeschwindigkeit nicht erreichbar ist, da bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auf Grund der Entwick­ lung der Hauptflamme von außen nach innen die Zündflamme ab­ reißt. Durch die Art der Flammenentwicklung ist das Brenner­ rohr außerdem großen thermischen Belastungen ausgesetzt. Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß die Brenner der herkömmlichen Art auf Grund der in Schmelzöfen vorhandenen Bedingungen für den Eintrag des Brenngases in das Einsatzgut völlig ungeeig­ net sind (Erdgas in der Buntmetallurgie, Metallurgÿa, Moskau, 1972). Hierbei wurde festgestellt, daß mit solchen Brennern kein ausreichender Wärmeaustausch erzielt werden kann. Darüber hinaus genügen diese Brenner hinsichtlich ihrer Flammenge­ schwindigkeit, des erzielbaren Ausbrandes und des Flammendruckes zum Verhindern des Eindringens der Schmelze in den Brenner nicht den Anforderungen, die in Schmelzprozessen zu erstellen sind. Das beruht darauf, daß die Ausbildung der Flamme und deren Ausbrand durch das Einsatzgut beeinträchtigt wird.

Im Extremfall kommt es im Einsatzgut zu Kanal- und Nestbil­ dungen, in die das Brenngas eindringt, welches dann ungenutzt auf der Oberfläche des Einsatzgutes ausbrennt und im Falle der Nestbildung explosionsartig verbrennt, wodurch Beschädigungen an der Ofenkonstruktion unvermeidbar sind.

Um den Einsatz von Erdgas zum Betreiben von Schmelzöfen zu er­ möglichen, wurden Verbrennungskammern entwickelt, die außen an der Ofenkonstruktion angeordnet sind und in denen der Ausbrand des Brenngasgemisches erfolgt, bevor die Flammengase in den Ofen eingetragen werden. Eine solche Verbrennungskammer be­ steht aus der Misch- und Verbrennungskammer, in die die Gas- und Luftzuführungen münden.

An diese Kammer schließt sich ein Flammenkanal an, der aus keramischem Material besteht. Der Flammenkanal ist von einer Wasserkühlung umgeben und mit dem konisch ausgebildeten Aus­ trittskanal in den Ofenraum verbunden (Svetnaja metallurgÿa bjul., Moskva, 1972).

Nachteilig ist, daß durch die konstruktionsbedingte Baugröße der Verbrennungskammern nur eine geringe Anzahl im größeren Abstand voneinander befindliche Öffnungen für den Energieträ­ ger in die Schmelze zur Verfügung stehen.

Daraus ergibt sich eine ungleichmäßige Energieverteilung im Ofenraum, die durch eine höhere Zufuhr an Brenngas-Luftge­ misch ausgeglichen werden muß, um einen stabilen Ofenbetrieb zu sichern, wodurch der Gasverbrauch bei Einsatz solcher Verbrennungskammern hoch ist.

Weiter ist nachteilig, daß die Verbrennungskammern einen großen Verschleiß durch die prozeßbedingten Temperaturen un­ terliegen.

Ein Mangel besteht auch darin, daß für solche Verbrennungs­ kammern ein erheblicher technischer Aufwand und Platzbedarf erforderlich ist.

Ziel ist es, einen Hochleistungsgasbrenner zu entwickeln, der das Betreiben von insbesondere metallurgischen Öfen mit Erd­ gas energie- und kostengünstig ermöglicht, auf Grund seiner Bauweise einen gleichmäßigen Energieeintrag in den Ofenraum bei niedriger thermischer Belastung der Brennerteile sichert und ohne wesentliche Änderungen der Ofenkonstruktion bei vorhandenen Ofenanlagen nachrüstbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochleistungsgasbrenner zu entwickeln, der es gestattet, bei hoher Flammengeschwindig­ keit und großem Flammendruck einen nahezu vollständigen Aus­ brand des Brennergas-Luftgemisches bei Austritt in den Ofen­ raum zu sichern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Brennrohr mit einem inneren Gaszuführungs­ rohr, einer äußeren Luftzuführung und einer, einer Luftein­ trittskammer nachgeordneten Mischzone, in Strömungsrichtung am Ende der Mischzone eine Verbrennungskammer konzentrisch ange­ ordnet und zwischen einer Außenwand der Vorbrennkammer und der Innenwand des Brennrohres wenigstens ein Strömungskanal für den Hauptstrom des Brenngas-Luftgemisches vorgesehen ist. Die Vorbrennkammer ist an einem der Mischzone zugewandten Ende mit einer quer zur Strömungsrichtung angeordneten Düsen­ platte versehen und am anderen, der Flammöffnung des Brenn­ rohres zugewandten Ende offen. Die Vorbrennkammer ist an einem Distanzstück gehalten, das mit dem Gaszuführungsrohr verbunden ist.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Vorbrennkammer als zylindrischer, kugeliger, parabolischer, hyperbolischer oder kegelförmiger Hohlkörper mit düsenartigen Öffnungen aus­ gebildet und vorzugsweise mit einer ebenen Düsenplatte verse­ hen ist.

Das Distanzstück ist vorzugsweise als Schau- und Zündrohr ausgebildet und durch die Düsenplatte der Vorbrennkammer und das Gaszuführungsrohr geführt.

In Strömungsrichtung ist vor den Austrittsdüsen des Gaszu­ führungsrohres zwischen der Lufteintrittskammer und der Misch­ zone eine Dralleinrichtung vorgesehen.

Vorzugsweise ist der der Mischzone nachfolgende Teil des Brennrohres derart verschiebbar ausgebildet, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Vorbrennkammer und der Flammöffnung des Brennrohres einstellbar ist.

Der Hochleistungsbrenner arbeitet in der Weise, daß das zuge­ führte Gas und die Luft in der Mischzone vermischt werden. Durch die Stauwirkung der im Gemischstrom angeordneten Vor­ brennkammer wird das Brenngas-Luftgemisch in der Weise ver­ teilt, daß ein Teilstrom durch die Bohrungen der Düsenplatte in die Vorbrennkammer gelangt und der Hauptstrom durch den Strömungskanal in die Brennzone des Brennrohres strömt. Das in der Vorbrennkammer befindliche Brenngas-Luftgemisch wird gezündet und bildet durch die verringerte Strömungsgeschwin­ digkeit in der Vorbrennkammer eine stabile Primärflamme aus. Mit dieser Primärflamme wird der Hauptstrom des kalten Brenn­ gas-Luftgemisches vorgewärmt, dabei entwickelt sich in der Brennzone des Brennrohres die Flamme vom Zentrum nach außen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispie­ les und einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt.

Der Hochleistungsbrenner besteht aus dem Brennrohr 1, in dem das Gaszuführungsrohr 2 konzentrisch angeordnet ist. Zwischen dem Gaszuführungsrohr 2 und der Innenwand 3 des Brennrohres 1 ist eine als Ringraum ausgebildete Lufteintrittskammer 4 mit dem Lufteintrittskanal 5 vorgesehen.

Das Gaszuführungsrohr 2 ist mit radial angeordneten Austritts­ düsen 6 versehen, wobei in Strömungsrichtung (Pfeil) vor den Austrittsdüsen 6 zwischen der Lufteintrittskammer 4 und der Mischzone 7 die Dralleinrichtung 8, bestehend aus Leitblechen, angeordnet ist.

Im Endbereich der Mischzone 7 ist die Vorbrennkammer 9 ange­ ordnet. Die Vorbrennkammer 8 ist einerseits von der Düsenplatte 10 abgeschlossen und andererseits mit der Austrittsöffnung 11 versehen. In der Düsenplatte 10 sind Bohrungen 12 vorgesehen. Die Vorbrennkammer 9 ist über das Distanzstück 13 mit dem Gas­ zuführungsrohr 2 verbunden. Das Distanzstück 13 kann als Schau- und Zündrohr ausgebildet sein (nicht gezeigt) und wird in die­ sem Fall durch die Düsenplatte 10 und das Gaszuführungsrohr 2 hindurch geführt. Zwischen der Außenwand der Vorbrennkammer 9 und der Innenwand 3 des Brennrohres 1 befindet sich der Strö­ mungskanal 14 für die Zuführung des Hauptstromes des Brenngas- Luftgemisches in die Brennzone 15 und zur Flammöffnung 16 des Brennrohres 1. Der der Mischzone nachfolgende Teil des Brenn­ rohres 1 kann verschiebbar ausgebildet sein.

Das Brennrohr 1 wird gleichzeitig über das Gaszuführungsrohr 2 und den Lufteintrittskanal 5 mit Gas und Luft beaufschlagt. Die Luft wird in die Lufteintrittskammer 4 unter Druck eingebracht und mittels der Dralleinrichtung 8 verwirbelt und der Misch­ zone 7 zugeführt. Gleichzeitig wird das Gas über die Austritts­ düsen 6 in die Mischzone 7 eingeblasen und mit der Luft ver­ mischt. Nach erfolgter Mischung erfolgt die Verteilung des Brenngas-Luftgemisches von der Mischzone aus durch die Stau­ wirkung der im Brenngas-Luftstrom befindlichen Vorbrennkammer 9.

Ein Teil des Brenngas-Luftgemisches gelangt dabei durch die Bohrungen 12 der Düsenplatte 10 in die Vorbrennkammer 9, wobei es sich entspannt. Die damit verbundene Verminderung der Ge­ schwindigkeit des Brenngas-Luftgemisches ermöglicht nach Zün­ dung des Gemisches die Ausbildung einer stabilen Primärflamme innerhalb der Vorbrennkammer 9.

Der Hauptstrom des kalten Brenngas-Luftgemisches strömt über den Strömungskanal 14 in die Brennzone 15 und kühlt die Vor­ brennkammer 9. Mit der in der Vorbrennkammer 9 erzeugten Pri­ märflamme wird das in diese in der Brennzone einströmende kal­ te Gemisch erwärmt, wodurch sich dessen Zündfähigkeit und Flammgeschwindigkeit erhöht. Dabei entwickelt sich die Flamme aus der Primärflamme von innen nach außen.

Bedingt durch die Art der Flammentwicklung wird das Brennrohr nur im Bereich der Flammöffnung thermisch belastet, da sich an der Innenwand des Brennrohres ein kalter Brenngas-Luftge­ mischschleier bildet, der die Wärmeübertragung auf das Brenn­ rohr mindert. Dadurch werden die aufwendigen Maßnahmen zur Kühlung in Grenzen gehalten. Das trifft sowohl für unter- als auch überstöchiometrische Verbrennung zu.

Weiter ist von Vorteil, daß es auf einfache Weise gelingt, bei solchen Brennern die Flammgeschwindigkeit so weit zu erhöhen, daß bereits in der Brennzone des Brennrohres ein hochprozen­ tiger Ausbrand des Brenngas-Luftgemisches erfolgt und ein Flam­ mendruck erzielt wird, der das Eindringen von Einsatzgut in das Brennerrohr verhindert.

Damit wird es im Gegensatz zum bisherigen Standpunkt der Fach­ welt möglich, metallurgische Schmelzöfen, z. B. Fumingöfen mit Brennern der herkömmlichen Bauart, auch bei Einsatz von Gas niedriger Zündgeschwindigkeit zu betreiben, ohne die bekann­ ten sehr kosten- und energieaufwendigen Brennkammern einsetzen zu müssen.

Der erfindungsgemäße Hochleistungsbrenner kann auch in anderen Industrieöfen vorteilhaft eingesetzt werden, wobei die Verbren­ nungsluft vorgewärmt oder mit Sauerstoff angereichert sein kann.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1 Brennrohr
2 Gaszuführungsrohr
3 Innenwand von 1
4 Lufteintrittskammer
5 Lufteintrittskanal
6 Austrittsdüsen
7 Mischzone
8 Dralleinrichtung
9 Vorbrennkammer
10 Düsenplatte
11 Austrittsöffnung
12 Bohrungen
13 Distanzstück
14 Strömungskanal
15 Brennzone
16 Flammöffnung

Claims (5)

1. Hochleistungsgasbrenner für Industrieöfen, insbesondere für Industrieöfen zur Durchführung metallurgischer Pro­ zesse, bestehend aus einem eine Flammöffnung aufweisenden Brennrohr, in dem an einem der Flammöffnung entgegenge­ setzten Ende ein mit Austrittsdüsen versehenes Gaszufüh­ rungsrohr so angeordnet ist, daß zwischen Letzterem und einer Innenwand des Brennrohres ein als Lufteintrittskam­ mer dienender Ringraum gebildet wird, in den ein Luftzu­ führungskanal mündet und an den sich in Strömungsrichtung eine Mischzone anschließt, gekennzeichnet dadurch, daß im Brennrohr (1) in Strömungsrichtung am Ende der Mischzone (7) eine Vorbrennkammer (9) konzentrisch angeordnet ist, zwischen einer Außenwand der Vorbrennkammer (9) und der Innenwand (3) des Brennrohres (1) wenigstens ein Strömungs­ kanal (14) für den Hauptstrom des Brenngas-Luftgemisches vorgesehen ist, die Vorbrennkammer (9) an einem der Misch­ zone (7) zugewandten Ende mit einer quer zur Strömungs­ richtung angeordneten Düsenplatte (10) versehen und ein der Flammöffnung (16) des Brennrohres (1) zugewandtes Ende (11) offen ist und daß die Vorbrennkammer (9) über einen Distanz­ halter (13) mit dem Gaszuführungsrohr (2) verbunden ist.

2. Hochleistungsbrenner nach Punkt 1, gekennzeichnet da­ durch, daß die Vorbrennkammer (9) als zylindrischer, ku­ geliger, parabolischer, hyperbolischer oder kugelförmiger Hohlkörper mit düsenartigen Öffnungen ausgebildet und vor­ zugsweise mit einer ebenen Düsenplatte (10) versehen ist.

3. Hochleistungsgasbrenner nach Punkt 1, gekennzeichnet da­ durch, daß das die Vorbrennkammer (9) haltende Distanz­ stück (13) vorzugsweise als Schau- und Zündrohr ausgebil­ det und durch die Düsenplatte (10) der Vorbrennkammer (9) und das Gaszuführungsrohr (2) geführt ist.

4. Hochleistungsgasbrenner nach Punkt 1, gekennzeichnet da­ durch, daß in Strömungsrichtung vor den Austrittsdüsen 66) des Gaszuführungsrohres (2) zwischen Lufteintritts­ kammer (4) und Mischzone (7) eine Dralleinrichtung (8) vorgesehen ist.

5. Hochleistungsgasbrenner nach Punkt 1, gekennzeichnet da­ durch, daß der der Mischzone (7) nachfolgende Teil des Brennrohres vorzugsweise derart verschiebbar ausgebildet ist, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung (11) der Vorbrennkammer (9) und der Flammöffnung (16) des Brennrohres (1) einstellbar ist.