DE4241883A1 - Mehrstufiger Brenner - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere einen für
gasförmige Brennstoffe, und betrifft ferner einen Brenner zum
Brennen eines gasförmigen Brennstoffes in getrennten Stufen in
einer Art und Weise, um Verbrennungsgase mit einem äußerst
geringen Anteil an Stickstoffoxiden abzugeben. Nachfolgend werden
Stickstoffoxide, die insbesondere Stickstoffmonoxid und Stick
stoffdioxid umfassen, als "NOx" bezeichnet.
Umweltprobleme und andere Probleme sind bei der Erzeugung von
Abgasen, die einen hohen Anteil von NOx enthalten, zu berücksich
tigen. NOx wirkt unter atmosphärischen Bedingungen so, daß es für
die Umwelt nicht akzeptabele Bedingungen schafft, so z. B. bei den
gut bekannten Phänomenen, die als Stadt-Smog und saurer Regen
bekannt sind. In den Vereinigten Staaten und anderswo sind Um
weltgesetze und Regelungen geschaffen worden und es ist damit zu
rechnen, daß weitere folgen werden, die den Anteil an NOx in den
Abgasen stark begrenzen.
In der US 4,874,310, die am 17. Oktober 1989 für die Selas
Corporation erteilt wurde, ist ein gesteuerter primärer Luft
ansauggasbrenner offenbart, bei dem die Zuführung von primärer
Steuerungsluft gesteuert wird, um eine wesentliche Verminderung
des Stickstoffoxidanteils im Abgas vorzusehen. Ein solcher
Brenner umfaßt zusätzliche Rohre für die Zuführung und Steuerung
der Primärluft und dies erfordert einen großen Aufwand und ergibt
Komplikationen, insbesondere bei einem Einbau in einen Ofen, bei
dem eine große Anzahl von Brennern verwendet wird.
In der US 5,044,931, die für die Selas Corporation am 3. Septem
ber 1991 erteilt wurde, ist eine Vorrichtung beschrieben,
umfassend einen Brenner, der nicht nur den NOx-Anteil in den
Verbrennungsgasen vermindert, sondern auch die Brennerkapazität
überaus erhöht, selbst bei einer gleichen Brennergröße. Bei dem
Brenner, der in diesem Patent beschrieben ist, wird ein sekundä
rer gasförmiger Brennstoff zusätzlich zum primären gasförmigen
Brennstoff verbrannt und das Vorgemisch, das durch die Ver
brennungsdurchlässe bzw. Verbrennungsdüsen geführt wird, bildet
eine Scheibe bzw. Ebene von verbrannten Gasen, die die Beimi
schung von sekundärem Gas und sekundärer Luft verdünnt, wodurch
die sekundäre Verbrennungsrate (Brennstoffreaktionsrate)
verlangsamt wird. Jedoch gibt es hier ökonomische Grenzen
bezüglich der erforderlichen Herstellungskosten und Einbaukosten
von den in der oben genannten US 5,044,931 beschriebenen Brennern
und es ist eine Aufgabe dieser Erfindung einen Brenner vor
zusehen, der einen einfacheren und einen günstiger herzustellen
den Aufbau mit einer kleinen Mischdüse bzw. Ansaugdüse und eine
Spitze weniger hat, der keine aufwendige und teure Herstellung
erfordert und der einfach zusammenzubauen ist. Ferner können
bestimmte schon existierende Brenner ohne irgendwelche Modifika
tionen am Ofen direkt ersetzt werden.
Andere Anstrengungen sind unternommen worden, um den NOx-Anteil
in den Abgasen von Öfen zu vermindern, aber viele sind wieder
verworfen worden, da sie im allgemeinen eine zu intensive Wartung
erfordern und da sie eine äußerst genaue Steuerung erfordern, um
sicherzustellen, daß nicht gegen existierende Umweltgesetze
verstoßen wird. Es ist sehr wichtig, daß eine wesentliche
Verminderung des NOx-Anteils erhalten werden kann, so daß selbst
in dem Fall eines Bedienungsfehlers kein Umweltgesetz verletzt
wird und der weitere Betrieb der Anlage und seiner Ausrüstung
nicht durch eine amtliche Verfügung untersagt wird.
Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, einen Brenner vorzusehen,
der geeignet ist, ein Gas unter hohem Druck zu verwenden, um Luft
für ein Gemisch anzusaugen, wobei äußerst geringe NOx-Anteile in
den Verbrennungsgasen enthalten sind.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen
Brenner vorzusehen, der eine geringe NOx-Emission hat, die durch
überschüssige Luft, frei zuströmender Luft, Änderungen in der
Brennrate und dem Wasserstoffanteil im Brennstoff und der
Ofentemperatur kaum beeinflußt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen solchen
Brenner vorzusehen, der als Schalen- oder (Flach-)Wandbrenner an
einer Wand oder in einen Boden eingebaut werden kann und bei dem
keine sorgsame, feine und genaue Bedienung notwendig ist, um den
geringen Anteil an NOx im Abgas zu erreichen.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Brenner
vorzusehen, der leicht und günstig in bestehende Öfen nach
gerüstet werden kann, als auch bei neuen verwendet werden kann
und es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Brenner vor
zusehen, der geringere Herstellungskosten hat und der gewisse
Brenner in bestehenden Öfen ersetzen kann, ohne daß der Ofen
während der Umrüstung abgeschaltet werden muß.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Brenner vorzusehen, der
bestehende Brenner ersetzen kann, um die kürzlich erlassenen NOx-
Grenzwerte wie 50 ppmv oder 25 ppmv zu erreichen, wobei keine
Modifikationen am Ofen, kein Abschalten des Ofens oder teure
Reparaturen oder Auswechslungen des Schamotts nötig sind.
Es ist eine weitere Aufgabe, einen neuen Ansaugbrenner vorzusehen,
der einen Flammenrückschlag bis zu etwa 1260°C (2300°F) mit einem
Niederfahren (turn-down) von 3 : 1 oder besser (bei Erdgas) oder
2 : 1 widerstehen kann, wenn 50% Wasserstoff und 50% Erdgas
verbrannt werden.
Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung, einschließlich der
Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und einfachen Bedienbarkeit und
der einfachen Art und Weise, mit der der Brenner bedient werden
kann, um eine stabile Flamme im kalten Ofen zu erzeugen, geht aus
den Ausführungsbeispielen hervor, die nachfolgend anhand der
Zeichnung beschrieben sind.
Fig. 1 ist ein Querschnitt, der einen Brenner mit Öffnungen
für ein Vorgemisch an einer ersten Stufe und an einer
zweiten Stufe zeigt, die voneinander beabstandet sind
und Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist, und
in eine Brennerkappe bzw. Brennerschale in einer
Ofenwand eingebaut ist.
Fig. 2 ist ein seitlicher Querschnitt eines Ansaugkopfs und
eines Ansaugrohrelementes eines Brenners gemäß Fig. 1,
und
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Ausfüh
rungsbeispiels eines Brenners gemäß der vorliegenden
Erfindung, der in einen flachen Block einer Ofenwand
eingebaut ist, wobei zusätzliche Sekundärluft vor
gesehen ist.
Unter den Ausdrücken "Primärluft" und "Sekundärluft" versteht
man, daß der Ausdruck "Primärluft" Luft beschreiben soll, die mit
dem gasförmigen Brennstoff gemischt wird, bevor die Verbrennung
beginnt, wohingegen der Ausdruck "Sekundärluft" für Luft
verwendet wird, die mit dem Brennstoff gemischt wird, nachdem die
Verbrennung begonnen hat.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen sollen die Bezugs
zeichen in den Ausdrücken "erste Stufe" und "zweite Stufe" oder
"erste Vorgemischstufe" und "zweite Vorgemischstufe" nicht
irgendeine bestimmte nummerische Folge oder eine physikalische
Anordnung darstellen, sondern einfach, daß die Stufen voneinander
getrennt sind und dazu bestimmt sind, ein Vorgemisch getrennt und
an unterschiedlichen Stellen in der Verbrennungszone einzuführen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 und 2
bezeichnet die Nummer 10 eine Ofenwand, an die ein Schalenblock
11 angebracht ist, der mit einem Loch 12 für die Einführung des
Brenners versehen ist.
Der Brenner 9 ist in das Loch 12 eingebaut und wird mit gasförmi
gem Brennstoff an dem Rohrelementaufbau 24 versorgt, der durch
eine mittig angebrachte Brennstofföffnung 21 und ein Paar von
diametral gegenüberliegenden Brennstofföffnungen 25 zugeführt
wird und folglich in zwei getrennte Stufen eines Vorgemisches
geformt wird, wie es genau nachfolgend beschrieben wird. Der
Brennstoff, der durch die Öffnung 21 angesaugt wird, vermischt
sich mit der Primärluft, die durch die Lufteinlaßöffnung 20
eingeführt wird und der Brennstoff, der durch die Öffnungen 25,
25 angesaugt wird, vermischt sich mit der Primäluft, die durch
den Lufteinlaß 26 eingeführt wird (Fig. 1). Die Vorgemischstufe
könnte als "erste" oder als "zweite" Stufe bezeichnet werden. Im
Nachfolgenden wird die Stufe, die durch die Öffnungen 25, 25
ausgebildet ist als "erste Vorgemischstufe" bezeichnet.
Demgemäß wird das Vorgemisch, das durch die Mischdüse bzw.
Ansaugdüse 21 gebildet wird, als "zweite Stufe" bezeichnet, die
längs innerhalb des Rohres 30 des Brenners zu der zweiten Stufe
der Brennerspitze 32 transportiert wird, die in den Verbren
nungsraum vorsteht, während das Vorgemisch aus der ersten Stufe,
das durch die Mischdüsen 25, 25 gebildet ist, längs des Rin
graumes 19 zu den entsprechenden Düsen 27, 27 transportiert wird.
Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Düsenhals, der einen
Abschnitt des Brenners 9 umfaßt, der an einem Verbindungsrohr 15
angeschraubt ist, der an die primäre Spitze 16 des Brenners
angeschraubt ist, in der mehrere Öffnungen 27 vorgesehen sind.
Das Bezugszeichen 20 bezeichnet Befestigungsbügel zum Anbringen
des Verbindungsrohres 15 an das Gehäuse 17.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine einzige Öffnung 21 für den
Brennstoff der zweiten Stufe an dem Einlaß des Vorgemischrohrs
30 für die zweite Stufe vorgesehen, wobei das Rohr zwischen dem
Düsenhals 14 und der primären Spitze 16 eingespannt ist und so
unverlierbar gehalten wird. Die Bezugszeichen 25, 25 bezeichnen
Doppelöffnungen für den Brennstoff der ersten Stufe und das
Bezugszeichen 26 bezeichnet den Einlaß des Vorgemisches der
ersten Stufe, der offen ist, um Luft im wesentlichen rundherum
um den Umfang des Brenners zuzuführen, wobei der Einlaß nur an
den Stellen der gegenüberliegenden Enden der zweiten Stufe der
Lufteinlaßleitung 29 abgeschlossen ist.
Der Einlaß 26 leitet hereinkommende Luft zu den Öffnungen 25,
25 um angesaugt zu werden, um ein Vorgemisch zu erzeugen, das als
"erstes Stufenvorgemisch" bezeichnet wird, das längs des Rin
graumes 19 zu der Vorgemischöffnungen 27 der ersten Stufe fließt,
die an dem Abschnitt der ersten Stufe der Spitze bzw. Düse 16
direkt stromabwärts von der Vorgemischkammer 28 der ersten Stufe
angeordnet sind.
Die Lufteinlaßöffnung der zweiten Stufe trägt die Nummer 29 und
ist vom Einlaß 26 getrennt. Sie führt zu dem oben genannten
Vorgemischrohr 30 der zweiten Stufe, das an die Vorgemischspitze
32 der zweiten Stufe führt, die in die Vorgemischspitze 16 der
ersten Stufe eingeschraubt ist und eine Vorgemischkammer 33 der
zweiten Stufe enthält, die an die Vorgemischöffnungen 34 der
zweiten Stufe führt, zum Ableiten des Vorgemisches der zweiten
Stufe.
Betrachtet man das Einlassende des Brenners in Fig. 1, so ist ein
Lufteinlassteuerungsverschluß 40 vorgesehen, mit einer Steuerung
der Luft der zweiten Stufe, die mit einem oval geformten Schlitz
41 versehen ist und in Verbindung mit einem Luftsteuerungs
abschnitt 42 der ersten Stufe gesteuert wird, der durch läng
liches Verschieben eingestellt bzw. gesteuert werden kann, um den
Zufluß an Primärluft an beide der ersten und zweiten Stufen durch
die Einlässe 26 und 29 zu erhöhen oder zu vermindern. Die Nummer
43 bezeichnet eine Feststelleinrichtung zum Festhalten des
Luftverschlusses 40 in seiner longitudinalen Stellung. Vorzugs
weise wird die oval geformte Öffnung 41 so angeordnet, daß sie
einen Zufluß von Sekundärluft nur während des Betriebs erlaubt,
aber beim Hochfahren bzw. Starten des Brenners geschlossen ist.
Mit Bezug zur Fig. 1 erkennt man demgemäß, daß beim Betrieb des
Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 der Vorgemischfluß der ersten
Stufe durch die Vorgemischöffnungen 27 der ersten Stufe in einer
Richtung im wesentlichen entlang der Brennerwand oder der
Oberfläche der Brennerschale strömt, wie es durch den Pfeil (a)
dargestellt ist. Sekundärluft, die wahlweise vorgesehen ist,
fließt nach außen durch den Zwischenraum 35, wie es durch den
Pfeil (b) dargestellt ist. Der Pfeil (c) bezeichnet den Gesamt
fluß des Vorgemischflusses der ersten Stufe und des Flusses der
Sekundärluft, nachdem sie miteinander vermischt sind, und
bezeichnet die allgemeine Richtung des Flusses des Gemisches
innerhalb der Brennerschale 11.
Der Pfeil (d) zeigt die allgemeine Flußrichtung des Vorgemisch
flusses der zweiten Stufe, und der Pfeil (e) bezeichnet die
Flußrichtung von verbrauchtem Gas von vorhergegangenen Bewegungen
innerhalb des Ofens. Der Pfeil (f) bezeichnet den Zustand und die
allgemeine Flußrichtung nach dem Mischen der Ströme der ersten
und der zweiten Stufe mit einem Sekundärluftstrom, der wahlweise
vorgesehen werden kann, und mit der Flußbewegung des verbrauchten
Gases (e).
Erfindungsgemäß ist die Vorgemischöffnung 34 "abgestuft" oder
longitudinal von den Vorgemischöffnungen 27 getrennt, um
unterschiedliche Flüsse an unterschiedlichen Stellen im Ver
brennungsbereich einzuführen. Dies ist ein wichtiges Merkmal und
bringt viele Vorteile mit sich, wie sie hierin diskutiert sind.
In Fig. 2 ist ein seitlicher Querschnitt gezeigt, einer Aus
führungsform eines Ansaugkopfes und eines Rohrelements, das mit
einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung verwendet werden kann.
Die Teile sind entsprechend den Teilen aus Fig. 1 numeriert,
wobei Fig. 2 eine Seitenansicht und Fig. 1 eine Draufsicht ist.
Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Gewindeverbindung für den
hereinkommenden Brennstoff, der durch die Brennstoffleitung 23
fließt, die in den Gewindeaufbau 24 geschraubt ist. Der Brenn
stoff wird durch die Öffnungsstruktur geführt, die die Öffnung
21 und die Doppelöffnungen 25 aufweist, umfassend die Brennstoff
strahlen bzw. -düsen 21 und 25 der zweiten und ersten Stufe. Auf
diese Art und Weise verhindert sich der Brennstoff der ersten
Stufe mit Primärluft, die durch den Lufteinlaß 26 (Fig. 1) der
ersten Stufe eingeführt wird und strömt nach vorne durch die
Vorgemischkammer 28 der ersten Stufe und aus den Vorgemischöff
nungen 27 der ersten Stufe. Gleichzeitig fließt Primärluft der
zweiten Stufe nach innen durch die Lufteinlaßöffnung 29 der
zweiten Stufe (Fig. 1 und 2) und wird mit Brennstoff an der
Brennstofföffnung 21 der zweiten Stufe gemischt und in das
Vorgemischrohr 30 der zweiten Stufe eingeführt, um zu der
Vorgemischkammer 33 für die zweite Stufe nach vorne zu fließen
und aus der Öffnung 34 der zweiten Stufe ausgeblasen zu werden.
Vorzugsweise unterscheiden sich die Vorgemische der ersten und
zweiten Stufe voneinander. Insbesondere ist das Vorgemisch der
zweiten Stufe viel reicher als das Vorgemisch der ersten Stufe,
wie es nachfolgend genauer dargelegt wird.
In Fig. 3 der Zeichnungen bezeichnet die Nummer 13 einen
optionalen Verschluß 13 für Sekundärluft, der mit dem Gehäuse 17
verbunden ist, um vorwärts und rückwärts verschiebbar einstellbar
zu sein, damit Sekundärluft in den Ringraum 35 zwischen dem
flachen Block 18 und dem Außendurchmesser der Brennerspitze 16
der ersten Stufen einströmen kann.
Im wesentlichen entsprechen die Flüsse aus Fig. 3 denen aus Fig.
1, umfassend den Vorgemischstrom (a) der ersten Stufe, den
Sekundärluftstrom (b), den Gemischstrom (c) nach dem Mischen des
Vorgemisches der ersten Stufe mit der Sekundärluft, den Vor
gemischstrom (d) der zweiten Stufe, den Strom (e) des ver
brauchten Gases und den gemischten Gasstrom (f) nach dem Mischen
der Ströme der ersten Stufe und der zweiten Stufe und den Strom
des verbrauchten Gases (e).
Gemäß dieser Erfindung ist es wichtig, daß es einen signifikanten
länglichen Abstand zwischen der Öffnung 34 der zweiten Stufe und
den Öffnungen 27 der ersten Stufe gibt. Dies gibt eine einzig
artige Mischung der voneinander beabstandeten Ströme bzw. Flüsse
(a) und (b) verbunden mit den Flüssen, die in diesem Bereich
vorkommen, um das einzigartige Phänomen zu erzeugen, das durch
diese Erfindung erreicht wird.
Demgemäß ist es offensichtlich, daß in den Brennern aus Fig. 1
und 3 das Vorgemisch (a) der ersten Stufe vorzugsweise sehr mager
ist und sich mit der Sekundärluft (b) (die optional ist)
vermischt und in der Schale als Strom (c) brennt, falls Sekundär
luft vorhanden ist. Die vorzugsweise sehr magere Mischung der
ersten Stufe brennt bei einer geringen Temperatur mit einer
geringen NOx-Emission. Gleichzeitig kommt das Vorgemisch (d) der
zweiten Stufe, das vorzugsweise sehr fett ist, in den Brenner mit
einer hohen Geschwindigkeit und vermischt sich kräftig mit den
verbrauchten Gasen (e) aus dem Ofen. Das fette Vorgemisch der
zweiten Stufe verbrennt auch mit einer geringen NOx-Emission. Die
Bewegungsenergie bzw. der Impuls des Stromes (d) ist so bestimmt,
daß er stark genug ist, um die Ströme (a) und (b) längs der
heißen Oberfläche des Brennerblockes (18) und der Brennerwand
(10) aus Fig. 3 und der entsprechenden Brennerwand aus Fig. 1
niederzudrücken, wobei das Nachgemisch (f) die Verbrennung längs
der Brennerwand 10 (Fig. 3) vervollständigt. Der Abstand zwischen
der Brenneröffnung 34 der zweiten Stufe und den Brenneröffnungen
27 der ersten Stufe kann so in einer optimalen Art und Weise
bestimmt werden, um eine flache Flamme zu erzeugen und der
Vorsprung der Brennerspitze 34 der zweiten Stufe kann in einer
ähnlichen Weise optimiert werden, so daß sie zusammenwirken, um
einen Brenner mit einer sehr geringen NOx-Emission zu erzeugen.
Demgemäß ist es zweckmäßig, daß die Verbrennung beim Betrieb
dieses Brenners in drei unterschiedliche Verbrennungszonen
aufgeteilt sein kann. Das Vorgemisch der ersten Stufe erzeugt
eine Verbrennungszone, die an dem Brennerblock und der Wand
anliegt, wodurch ein pulsförmiges Brennen oder eine vollständige
Lösung der Flamme von dem Brenner vermieden wird, was ein
unsicherer Zustand wäre.
Die Öffnungsgrößen, die leicht bestimmt werden können, sehen eine
vorbestimmte Kontingentierung des Brennstoffverbrauchs zwischen
der ersten und zweiten Stufe vor. Obwohl unterschiedliche
Verhältnisse verwendet werden können, hat sich herausgestellt,
daß in vielen Fällen eine gleichmäßige Kontingentierung des
Brennstoffes optimal ist.
Da das Vorgemisch der ersten Stufe vorzugsweise magerer ist als
das Vorgemisch der zweiten Stufe, können die Größen der jeweili
gen Öffnungen in der Spitze und die Größe der Durchmesser der
Zuführrohre verwendet werden, um das Luft-Brennstoffverhältnis
der Gesamtverbrennung zu steuern. Für das Luft-Brennstoff
verhältnis der zweiten Stufe hat sich herausgestellt, daß ein
Wert zwischen etwa 1 : 1 und etwa 5 : 1 optimal ist (für Erdgas), der
weit unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt. Das
Vorgemisch der ersten Stufe hat vorzugsweise ein Luft-Brennstoff
verhältnis von etwa 15 : 1 zu 20 : 1 das ziemlich mager ist und
deutlich über dem stöchiometrischen Verhältnis liegt (das
stöchiometrische Verhältnis für Methan ist etwa 9 : 1). Etwas Luft
kann wahlweise in den Ofen als Sekundärluft eintreten, falls der
Gebrauch von Sekundärluft zweckmäßig ist. Der Sekundärluftstrom
kann durch Bestimmen der Querschnittsfläche des Sekundärluft
durchlasses 35 gesteuert werden. In vielen Fällen kann eine
minimale NOx-Emission ohne die Verwendung von Sekundärluft
erreicht werden.
Demgemäß ist es offensichtlich, daß die einzigartigen Merkmale
des Brenners, wie sie folglich erklärt werden, die Notwendigkeit
für eine genaue und individuelle Steuerung der Teile durch den
Bediener eliminieren, keine weiteren Eingriffe als bei bestehen
den Brennern erfordern und einen Brenner vorsehen, der weniger
empfindlich gegenüber zusätzlichen Luftströmen ist, als herkömm
liche Brenner.
Wenn Brennstoff verbrannt wird, der Wasserstoff enthält, erhöht
sich die NOx-Emission bei den meisten Brennern. Dagegen behält
der mehrstufige Brenner gemäß dieser Erfindung das gleiche Niveau
der NOx-Emission bei oder kann sogar das Niveau der NOx-Emission
reduzieren.
Gemäß dem Betrieb des Brenners dieser Erfindung, wenn Luft oder
Brennstoff der zweiten Stufe nicht zugeführt wird, vermindert
sich die Geschwindigkeit des Vorgemisches der zweiten Stufe der
Öffnungen 34 und glättet nicht länger die Flammen gegen die
Brennerwand. Die sich ergebende Flamme wird dann eine eingewic
kelte bzw. eingerollte Flamme (mit einer Involute), die sehr
stabil ist. Dies ist ein wertvolles Merkmal, durch das der
Brenner in einem kalten Ofen leicht zu starten ist.
Beim Betrieb des Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung werden
die Verschlüsse in eine Startstellung gesetzt und eine erste
Zündung wird durch Einstellen des Verschlusses 42 erreicht,
wodurch die Zufuhr der Vorgemischluft bei 29 unterbrochen wird
und ein stöchiometrisches Gemisch der ersten Stufe erzeugt wird,
bei dem Luft der ersten Stufe durch die Öffnungen 25, 25
angesaugt wird. Das Vorgemisch, das sich bei der ersten Stufe
ergibt, fließt nach außen durch Vorgemischöffnungen 27 der ersten
Stufe. Wenn der Verschluß 41 für die Luft der zweiten Stufe
geschlossen ist, strömt der Brennstoff der zweiten Stufe aus der
Düse 34 der zweiten Stufe ohne Luft. Der Sekundärluftverschluß
13 ist geschlossen. Wenn die Betriebstemperatur erreicht wird,
werden die Verschlüsse von neuem eingestellt. Ein mageres
Vorgemisch der ersten Stufe strömt auf der Vorgemischöffnung 27
der ersten Stufe. Der Sekundärluftverschluß 13 wird entsprechend
dem Luftbedarf des bestehenden Ofens eingestellt und falls
zusätzliche Sekundärluft vorgesehen werden soll, fließt sie aus
dem Durchlaß 35 für Sekundärluft. Die Ströme treffen in der
Schale oder auf der Ofenwand zusammen, mischen sich und brennen.
Der Verschluß 41 der zweiten Stufe kann vorzugsweise nur
vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen werden und wird
auf die vollständig geöffnete Stellung eingestellt, worauf ein
fettes Vorgemisch der zweiten Stufe aus der Öffnung 34 strömt und
an der Ofenwand brennt. Durch das Aufeinandertreffen und Mischen
mit dem mageren Vorgemisch der ersten Stufe vervollständigt es
den Verbrennungszyklus in einer Art und Weise, daß eine über
raschend geringe NOx-Emission erreicht wird.
Es wird festgestellt, daß die Ströme aus Fig. 1 von den Vor
gemischöffnungen 27 der ersten Stufe nach außen längs der
Schalenoberfläche des Brennerblockes 11 gerichtet sind, während
die Ströme aus Fig. 3 aus denselben Öffnungen 27 längs der Wand
10 des Brenners gerichtet sind. Die Schalenwand und die Ofenwand
sind vollkommen und funktionell äquivalent zueinander und wenn
immer gemeint ist, daß der Fluß des Vorgemisches längs der Wand
des Ofens fließt, soll dies auch ausdrücken, daß der Fluß nicht
nur direkt längs der Wand 18 aus Fig. 3 fließt, sondern auch
längs der Wand der Schale 11, die selbst innerhalb und angrenzend
an die Wand 10 angeordnet ist, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Es wird festgestellt, daß es gemäß der vorliegenden Erfindung
wichtig ist, eine Anzahl von unterschiedlichen Vorgemischen für
den Verbrennungsvorgang längs getrennter und unterschiedlicher
Wege vorzusehen und die einzelnen Vorgemische an getrennten
Stellen innerhalb des Verbrennungsbereiches einzuführen.
Bei der Erfindung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, wird
ein sehr mageres Gemisch als getrennte Stufe durch die Öffnungen
27, 27 angrenzend an die Oberfläche der Brennerschale (oder der
Brennerwand) eingeführt. Gleichzeitig wird eine vollständig
getrennte Stufe eines primären Vorgemischs (einer anderen
Zusammensetzung) durch die voneinander beabstandeten Düsen 34,
34 eingeführt, wobei dieses Gemisch vorzugsweise ein sehr fettes
Gemisch ist. Folglich ist es sehr vorteilhaft gemäß der vor
liegenden Erfindung zwei unterschiedliche Gemische an zwei
unterschiedlichen Stellen an zwei unterschiedlichen Punkten
vorzusehen, wobei ein Gemisch wesentlich fetter als das andere
Gemisch ist. Vorzugsweise ist das eine Gemisch fetter als das
stöchiometrische Verhältnis während das andere Gemisch wesentlich
magerer ist als das stöchiometrische Verhältnis. Ein weiteres
vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist es, daß die Gemischstufe,
die magerer ist als das stöchiometrische Verhältnis, im wesentli
chen längs der Oberfläche der Brennerschale oder der Brennerwand
eingeführt wird, während die wesentlich fettere Gemischstufe an
einer Stelle eingeführt wird, die von der Brennerschale oder der
Brennerwand entfernt ist. Ferner ist es weiter vorteilhaft, daß
das Gemisch, das fetter ist als das stöchiometrische Verhältnis
mit einer höheren Geschwindigkeit einströmt, als das Gemisch der
anderen Stufe, wobei es in eine Richtung das Verbrennungsgemisch
gegen entweder die Brennerschale oder die angrenzende Oberfläche
der Brennerwand abflacht.
Es wird festgestellt, daß obwohl die Zeichnungen nur zwei solche
Stufen von Vorgemischen darstellen, es auch möglich ist, drei
oder mehr als drei Stufen vorzusehen, die alle voneinander
getrennt und so angeordnet sind, daß ein abgestufter Vorgang
ereicht wird. Ferner wird festgestellt, daß die relativen
Stellungen der getrennten Stufen variiert oder für jeden
Einzelfall abgewandelt werden können.
Es wird Bezug genommen zu der anhängigen US-Anmeldung 07/795,680
(21. November 1991-Priorität), die durch dieselben Erfinder
angemeldet ist. In dieser anhängigen Anmeldung wird das Vor
gemisch an zwei voneinander beabstandeten Stellen eingeführt und
jedes berührt getrennt einen Fluß von Sekundärluft, der in den
Verbrennungsbereich eintritt. In diesem Fall haben die vonein
ander beabstandeten Ströme des Vorgemisches dieselbe Zusammen
setzung.
Obwohl diese Erfindung anhand von bestimmten Brennern dargestellt
und beschrieben ist, wird festgestellt, daß ein weiter Bereich
von Abwandlungen und Änderungen ausgeführt werden kann, ohne daß
die Grundgedanken und der Schutzumfang dieser Erfindung verlassen
wird. Es können unterschiedliche Abstände zwischen den Stufen
vorgesehen sein; unterschiedliche Anzahlen von Stufen können
vorgesehen sein; die Stellungen der Stufen bezüglich zueinander
können umgekehrt oder abgewandelt sein. Änderungen können auch
im Anreicherungsgrad oder im Grad der Magerheit der jeweiligen
Stufen ausgeführt werden. Bestimmte Merkmale, die in den
Zeichnungen gezeigt werden, können abgewandelt werden oder in
bestimmten Fällen entfernt werden und Sekundärdurchlässe oder
Steuerelemente und andere mechanische Merkmale können geändert
oder weggelassen werden, ohne daß die Grundgedanken und der
Schutzumfang der Erfindung verlassen werden.
Gasbrenner mit einem geringen NOx-Anteil, der eine längs einer
Wand angeordnete Flamme, selbst in einer Schale erzeugen kann.
Der Brenner umfaßt zwei abgestufte Vorgemischeinheiten, wobei
eine Einheit ein sehr mageres Gemisch in die Schale abgibt und
die zweite Einheit, die sich in den Ofen erstreckt, ein sehr
fettes Gemisch abgibt, wobei die Kombination von beiden Gemischen
ein etwa stöchiometrisches Verhältnis ergibt.
Claims (14)
1. Gasbrenner, der in eine Wand eines Ofens oder dergleichen
eingebaut werden kann, der einen Verbrennungsbereich für
einen gasförmigen Brennstoff hat, umfassend:
eine Öffnung (27) zum Zuführen eines Vorgemisches einer ersten Stufe aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft an einer vorbestimmten Stelle in dem Verbrennungsbereich, und
eine davon getrennte Öffnung (34) zum Zuführen eines Vorgemisches einer zweiten Stufe aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft an einer anderen Stelle in dem Verbrennungs bereich.
eine Öffnung (27) zum Zuführen eines Vorgemisches einer ersten Stufe aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft an einer vorbestimmten Stelle in dem Verbrennungsbereich, und
eine davon getrennte Öffnung (34) zum Zuführen eines Vorgemisches einer zweiten Stufe aus gasförmigem Brennstoff und Primärluft an einer anderen Stelle in dem Verbrennungs bereich.
2. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Steuereinrichtungen zum unabhängigen Steuern des Luft-
Brennstoffverhältnisses des Vorgemisches einer jeden Stufe
vorgesehen sind.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen zum Steuern des Vorgemisches einer Stufe
vorgesehen sind, so daß dieses Vorgemisch
fetter als das stöchiometrische Verhältnis ist und das
andere Vorgemisch magerer als das stöchiometrische Verhält
nis ist.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner eine Spitze (32) hat, die getrennte Sätze
von Öffnungen zum Auslassen der Vorgemische der getrennten
Stufen hat, wobei einer dieser Sätze von Öffnungen näher an
dem entfernten Ende der Brennerspitze (32) als der andere
Satz von Öffnungen ist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennerspitze (32) einstellbar angeordnet ist, um
den Abstand der Öffnung der einen Stufe zu der Öffnung der
anderen Stufe einzustellen.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Öffnungen (34, 27) einstellbar angeordnet ist,
um den Abstand bezüglich der Brennerwand ändern zu können.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen (35) zum Zuführen von Sekundärluft
angrenzend an die Brennerspitze vorgesehen sind.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen (13) zum Unterbrechen des Sekundärluft
stroms vorgesehen sind.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen zum Vorbestimmen des Luft-Brennstoff
verhältnisses des primären Gemisches einer jeden Stufe
vorgesehen sind.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Gemische angrenzend an das Ende der Brenner
spitze (32) eingeführt wird, wobei Einrichtungen vorgesehen
sind, um das Luft-Brennstoffverhältnis der Stufe von etwa
1 : 1 bis 5 : 1 zu steuern.
11. Brenner nach einem dem Ansprüche 1-10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner an der Wand, am Boden oder an der Decke
eines Ofens eingebaut ist.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brenner in einem Ofenbereich eingebaut ist, der
entweder aus einer Schale (11) oder aus einem flachen Block
(18) besteht.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 1-12,
dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Gemische der Stufen angrenzend an die Ober
fläche der Schale (11) oder des flachen Blockes (18) einge
führt wird, wobei Einrichtungen zum Steuern des Luft-
Brennstoffverhältnisses dieser Stufe von etwa 15 : 1 bis 20 : 1
vorgesehen sind.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Volumenmengenflüsse der getrennten Stufen vor
bestimmt sind, um ein im wesentlichen gleiches Flußverhält
nis vorzusehen.
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