DE4241883A1 - Mehrstufiger Brenner - Google Patents

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.

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.