DE69419323T2

DE69419323T2 - Sauerstoff-brennstoff-brenner mit integrierter gestufter sauerstoffzufuhr

Info

Publication number: DE69419323T2
Application number: DE69419323T
Authority: DE
Inventors: Curtis Taylor
Original assignee: Maxon Corp
Current assignee: Maxon Corp
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1994-11-02
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: US5458483A; EP0733187A4; EP0733187B1; WO1995016880A2; WO1995016880A3; EP0733187A1; DE69419323D1

Description

Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Brenneraufbauten und im speziellen Sauerstoff- Brennstoff-Brenneraufbauten. Im spezielleren betrifft die vorliegende Erfindung einen Brenner, der ein Brennstoffzuführsystem sowie ein stufenweises Sauerstoffzuführsystem hat.
Eine Herausforderung, der die Brenner-Industrie gegenübersteht, ist, einen verbesserten Brenner zu entwickeln, der im Betrieb geringere Stickstoffoxidemissionen produziert als herkömmliche Brenner. Typischerweise läßt ein industriell eingesetzter Brenner ein Gemisch von Brennstoff und entweder Luft oder Sauerstoff ausströmen. Ein geeignetes Verhältnis von Brennstoff und Luft wird hergestellt, um ein brennbares Gemisch aus Brennstoff und Luft zu erzeugen. Einmal entzündet, brennt dieses brennbare Gemisch, um eine Flamme zu erzeugen, die zum Erhitzen verschiedener Produkte in einer großen Vielfalt industrieller Anwendungen verwendet werden kann. Die Verbrennung von Brennstoffen wie z. B. Naturgas, Öl, flüssigem Propangas, minderwertiger BTU-Gase und Kohlenstäube erzeugt oft mehrere unerwünschte Schadstoffemissionen wie z. B. Stickstoffoxide (NOX), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC).
Es sind Brenner bekannt, die Sauerstoff mit einem vernebelten Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff vereinigen, um ein brennbares Gemisch zu erzeugen. Siehe z. B. US-Patent Nr. 5,092,760 von Brown und Coppin. Außerdem sind Brenner bekannt, die Sauerstoffanreicherungssysteme aufweisen, wie in dem IHEA Combustion Technology Manual, 4. Auflage (1988), S. 320-21, veröffentlicht von The Industrial Heating Equipment Association of Arlington, Virginia, offenbart.
Bei dem Versuch, die Menge des während der Verbrennung erzeugten NOX zu verringern, wurden Brenner entwickelt, um ein Gemisch von Brennstoff und reinem Sauerstoff zu verbrennen. Atmosphärische Verbrennungsluft enthält ungefähr 79% Stickstoff (N&sub2;), und reiner Sauerstoff enthält keinen Stickstoff. Es wurde beobachtet, daß die höheren Flammentemperaturen, die durch Verbrennen eines Gemischs aus Brennstoff und reinem Sauerstoff verursacht sind, eine Erhöhung der Umwandlung von brennstoffgebundenem N&sub2; in NOX bewirkt haben. Zusätzlich wurde eine neue Technologie von Sauerstofflieferanten entwickelt, die eine Vor-Ort-Erzeugung von Verbrennungssauerstoff ermöglicht. Dieser vor Ort erzeugte Sauerstoff ist nicht rein und kann soviel wie 10% Stickstoff pro Volumen enthalten. In Kontakt mit der Hochtemperatur-Oxy-Brennstoff-Flamme stellt dieser zusätzliche Stickstoff eine zusätzliche Quelle von NOX-Emissionen dar.
Die JP-A-56034006 offenbart einen Brenner, der eine Brennstoffdüse aufweist, die sich in eine Apertur in der Basis einer Sauerstoffkammer erstreckt. Die Basis ist mit weiteren Aperturen versehen. Sämtliche Aperturen stehen in direkter Verbindung mit der Flammenkammer.
Die US-A-4583936 offenbart einen Brenner, der eine Sauerstoffkammer mit einer darin enthaltenen Brennstoffdüse aufweist. Ein Brennerblock ist an der Sauerstoffkammer befestigt und der Brennerblock weist eine Flammenkammer und Gasleitungen auf, um Sauerstoff der zweiten Stufe zu dem Auslaß der Flammenkammer zu leiten.
Ein Brenneraufbau, der so ausgestaltet ist, daß Brennstoff bei Verwendung einer niedrigeren Flammentemperatur vollständiger verbrannt wird, würde zu niedrigeren Stickstoffoxidemissionen führen. Was benötigt wird, ist ein Brenneraufbau, der in der Lage ist, ein Gemisch aus Sauerstoff und Brennstoff zu verbrennen, ohne eine erhebliche Menge an unerwünschten Stickstoffoxidemissionen zu erzeugen. Ein gestufter Sauerstoffbrenner, der so ausgestaltet ist, daß er Sauerstoff zu verschiedenen Regionen einer von dem Brenner erzeugten Flamme leitet, wobei er modulare Komponenten und leicht herstellbare Sauerstoff-Fluß-Präzisionsdosiergeräte verwendet, würde zu niedrigeren Stickstoffoxidemissionen führen und wäre daher eine willkommene Verbesserung gegenüber konventionellen Brenneraufbauten. Ein verbesserter Stufen-Sauerstoffbrenner wäre idealerweise so konfiguriert, daß er verschiedene Brennstoffdüsen aufnimmt, um einem Benutzer zu ermöglichen, nach Wahl des Benutzers entweder Brennstoffgas oder Brennstofföl zu verbrennen.
Erfindungsgemäß wird ein Brenneraufbau zum Vereinigen von Sauerstoff und Brennstoff angegeben, um eine Flamme zu erzeugen, wobei der Brenneraufbau einen Brennerblock umfaßt, der ausgebildet ist, um eine Flammenkammer mit einem Einlaßdurchgang und einem Auslaßdurchgang zu umfassen, ein Bypass-Mittel zum Führen von Sauerstoff außerhalb der Flammenkammer zu dem Auslaßdurchgang der Flammenkammer, ein Sauerstoffzufuhrgehäuse, das ein Kammermittel zum Empfangen einer Zufuhr von Sauerstoff und eine an den Brennerblock angrenzende Basiswand umfaßt, wobei die Basiswand ausgebildet ist, um ein erstes Aperturmittel zum Auslassen von Sauerstoff aus dem Kammermittel in die Flammenkammer und ein zweites Aperturmittel zum Auslassen von Sauerstoff aus dem Kammermittel in das Bypass-Mittel zu umfassen, und ein Mittel zum Auslassen von Brennstoff in die in dem Brennerblock ausgebildete Flammenkammer, wobei das Auslaßmittel eine Düse umfaßt, wobei das erste Aperturmittel eine in der Basiswand ausgebildete erste Apertur umfaßt, wobei das zweite Aperturmittel zumindest eine zweite Apertur umfaßt, die in der Basiswand ausgebildet und angeordnet ist, um in beabstandeter Beziehung zu der ersten Apertur zu liegen, und wobei das Bypass-Mittel zumindest einen sauerstofführenden Durchgang umfaßt, der in dem Brennerblock ausgebildet und zum Empfangen von Sauerstoff angeordnet ist, der durch eine korrespondierende zweite Apertur geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Düse durch die Kammer und das erste Aperturmittel erstreckt, das in der Basiswand ausgebildet ist, um Brennstoff in die Flammenkammer auszulassen, und der Innendurchmesser einer jeden, in der Basiswand ausgebildeten zweiten Apertur geringer ist als der Innendurchmesser eines korrespondierenden sauerstofführenden Durchgangs, der in dem Brennerblock ausgebildet ist, um die Strömung von Sauerstoff durch die sauerstofführenden Durchgänge, die in dem Brennerblock ausgebildet sind, zu regulieren.
Veranschaulichend ist ein Durchflußdosiergerät bereitgestellt, um den Fluß von Sauerstoff, der durch das erste Aperturmittel in den Einlaßdurchgang der Flammenkammer ausgelassen wird, zu kontrollieren. Das Durchflußdosiergerät ist so ausgebildet, daß es einen Kanal für Sauerstoff der ersten Stufe umfaßt, der den Fluß von Sauerstoff in den Einlaßdurchgang der Flammenkammer kontrolliert. Das zweite Apertur mittel definiert einen Kanal für Sauerstoff der zweiten Stufe, der den Fluß von Sauerstoff zu dem Auslaßdurchgang der Flammenkammer kontrolliert.
Durch das Einrichten eines festen Verhältnisses der effektiven Querschnittsfläche des Kanals für Sauerstoff der ersten Stufe und der effektiven Querschnittsfläche des Kanals für Sauerstoff der zweiten Stufe ist es möglich, den relativen Fluß von Sauerstoff zu jedem der Einlaß- und Auslaßdurchgänge der Flammenkammer aufzuteilen und zu kontrollieren. Veranschaulichend ist ein erster Satz von Durchgängen in dem Durchflußdosiergerät ausgebildet, um den Kanal für Sauerstoff der ersten Stufe zu definieren, und ein zweiter Satz von Durchgängen ist in der Basiswand ausgebildet, um den Kanal für Sauerstoff der zweiten Stufe zu definieren. In vorteilhafter Weise ist es möglich, das oben beschriebene feste Verhältnis zu verändern, indem einfach der Durchmesser der in der Basiswand ausgebildeten Durchgänge zum Zeitpunkt, zu dem diese Durchgänge hergestellt (z. B. gebohrt oder gefräst) werden, variiert wird.
Etwas von dem Überdruck-Sauerstoff, der von dem Sauerstoffzufuhrgehäuse-Kammermittel (d. h. "Sauerstoff der ersten Stufe") ausgelassen wird, tritt durch das erste Aperturmittel und den Kanal für Sauerstoff der ersten Stufe hindurch, welcher in dem Durchflußdosiergerät ausgebildet ist, und vermischt sich dann mit Brennstoff, der von dem Auslaßmittel zur Verfügung gestellt wird, in einer Region der ersten Stufe innerhalb der Flammenkammer. Dieses brennbare Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff kann entzündet werden, um eine Flamme zu definieren, die einen Wurzelbereich in der Flammenkammer und einen Spitzenbereich außerhalb der Flammenkammer hat.
Der Brennerblock ist ebenfalls ausgebildet, um Sauerstoffauslaßkanäle um den Auslaßdurchgang der Flammenkammer herum und sauerstofführende Mittel zum Leiten von Sauerstoff entlang einem oder mehrerer Wege durch den Brennerblock und außerhalb der Flammenkammer zu den Sauerstoffauslaßkanälen aufzuweisen. Der Rest des Überdruck-Sauerstoffs, der vom Sauerstoffzufuhrgehäuse-Kammermittel ausgelassen wird, strömt durch das zweite Aperturmittel, das in der Basiswand ausgebildet ist, in das sauerstofführende Mittel, das im Brennerblock ausgebildet ist. Dieser Sauerstoff der "zweiten Stufe" strömt durch die Sauerstoffauslaßkanäle und wird vom Brennerblock in eine stromabwärts liegende Region der zweiten Stufe aus gestoßen, die einen Teil der Flamme enthält und außerhalb der Flammenkammer liegt.
In bevorzugten Ausgestaltungen ist der Brennerblock aus feuerfestem Material hergestellt und weist eine Außenwand auf, die ausgebildet ist, daß sie den Flammenkammereinlaßdurchgang und eine Vielzahl von Sauerstoffdurchlaßkanälen um den Einlaßdurchgang herum aufweist. Der Brennerblock umfaßt ebenfalls eine Feuerraumwand, die konfiguriert ist, um in einem Feuerraum zu liegen, und ausgebildet ist, um den Flammenkammerauslaßdurchgang und die Vielzahl von Sauerstoffauslaßkanälen um den Auslaßdurchgang herum zu umfassen.
Veranschaulichend ist der Brennerblock ebenfalls ausgebildet, um eine Vielzahl sauerstofführender Durchgänge zu umfassen. Diese Durchgänge werden während des Gießens des Brennerblocks ausgebildet. Jeder Durchgang erstreckt sich durch den Brennerkörper, um einen der Sauerstoffdurchlaßkanäle mit einem der Sauerstoffauslaßkanäle zu verbinden. Im wesentlichen sind diese Durchgänge angeordnet, um die Flammenkammer zu umgehen und Sauerstoff der zweiten Stufe zur Region der zweiten Stufe stromabwärts der Flammenkammer zu liefern. Veranschaulichend liegt die Region der zweiten Stufe in einem an den Brennerblock angrenzenden Feuerraum, und die vom Brenneraufbau produzierte Flamme erhitzt Produkte in dem Feuerraum.
Das Sauerstoffzufuhrgehäuse ist vorgesehen, um temporär einen Vorrat an Überdruck-Verbrennungssauerstoff zur Verwendung im Brenneraufbau zu enthalten. Während des Gebrauchs wird ein kontinuierlicher Strom von Überdruck-Sauerstoff in das Sauerstoffzufuhrgehäuse eingelassen, wobei irgendein geeignetes Mittel benutzt wird. Etwas von dem Überdruck-Sauerstoff wird durch das erste Aperturmittel zu der Region der ersten Stufe hin verteilt, und der Rest von diesem Überdruck-Sauerstoff wird von dem Bypass-Mittel zur Region der zweiten Stufe hin verteilt, wobei die sauerstofführenden Durchgänge benutzt werden, die im Brennerblock ausgebildet sind.
Der Brenneraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung leitet Verbrennungssauerstoff in zwei Regionen oder Verbrennungszonen ein. Die Verbrennungszone der ersten Stufe ist nahe der Wurzel der Flamme innerhalb der Flammenkammer, und die Ver brennungszone der zweiten Stufe ist in dem Feuerraum selbst an einem Ort stromabwärts der Flammenkammer und näher an der Spitze der Flamme. In vorteilhafter Weise wird dadurch, daß ein Teil des Verbrennungssauerstoffs von der Wurzel der Flamme zurückgehalten wird, der Brennstoff teilweise verbrannt und der brennstoffgebundene Stickstoff in Reduktionsmittel umgewandelt. Diese stickstoffhaltigen Verbindungen werden danach zu elementarem Stickstoff oxidiert, wodurch die Erzeugung von Brennstoff-Stickstoffoxiden minimiert wird. Außerdem wird die Spitzentemperatur der Flamme in der brennstoffreichen Verbrennungszone der ersten Stufe gesenkt, da die erzeugte Hitze sich schnell ausbreitet. Diese Reduzierung der Flammentemperatur verringert die Entstehung von Stickstoffoxiden, die temperaturabhängig sind. In der Verbrennungszone der zweiten Stufe wird durch die Sauerstoffauslaßkanäle des Brennerblocks zusätzlicher Sauerstoff injiziert, um die Verbrennung zu vervollständigen und Flammenform und -länge zu optimieren.
Veranschaulichend umfaßt der Brenneraufbau mehrere modulare Komponenten, die leicht zusammengebaut und ausgetauscht werden können. Ein Sauerstoffzufuhrgehäuse kann mit einem Brennerblock verbunden oder von diesem getrennt werden, indem ein Rahmen und abnehmbare Befestigungselemente verwendet werden. Ein Brennstoff-Düsenmodul ist so in das Sauerstoffzufuhrgehäuse montiert, daß es leicht entfernt werden kann. Durch Austauschen eines Gas-Brennstoff-Düsenmoduls gegen ein Öl-Brennstoff-Düsenmodul ist es möglich, den Brenneraufbau von einer gasverbrennenden Einheit in eine ölverbrennende Einheit umzuwandeln.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute unter Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungen offensichtlich, die die beste Art und Weise veranschaulichen, die Erfindung nach dem gegenwärtigen Erkenntnisstand auszuführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die detaillierte Beschreibung bezieht sich vor allem auf die begleitenden Figuren, in denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brenneraufbaus ist, die ein Sauerstoffzufuhrgehäuse, das mit einem Brennerblock gekoppelt ist, eine Sauerstoffzufuhrquelle, die mit dem Sauerstoffzufuhrgehäuse gekoppelt ist, und eine Brennstoffzufuhrquelle, die mit einem Gas-Brennstoff-Düsenmodul gekoppelt ist, das in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse angeordnet ist, zeigt,
Fig. 2 eine Vorderansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 ist, die vier Sauerstoffauslaßkanäle zeigt, die in der Wand des Feuerraums eines Brennerblocks ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie um den Auslaßdurchgang einer in Wem Brennerblock ausgebildeten Flammenkammer herum angeordnet sind, und drei nierenförmige Sauerstoff-Fluß-Aperturen zeigt, die in einem Sauerstoff-Durchflußdosiergerät ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie einen Brennstoffauslaßkopf des Gas- Brennstoff-Düsenmoduls umgeben,
Fig. 3A eine Seitenansicht entlang der Linie 3A-3A der Fig. 2 ist, die den Brennerblock, das ein Gas-Brennstoff-Düsenmodul aufweisende Sauerstoffzufuhrgehäuse, den Brennstoffauslaßkopf des Gas-Brennstoff-Düsenmoduls am Einlaßende einer Flammenkammer in dem Brennerblock, Mittel der ersten Stufe, um Sauerstoff von dem Sauerstoffzufuhrgehäuse durch das an dem Brennstoffauslaßkopf befestigte Sauerstoff-Durchflußdosiergerät in eine Verbrennungszone der ersten Stufe in der Flammenkammer zu führen, und Mittel der zweiten Stufe, um Sauerstoff vom Sauerstoffzufuhrgehäuse zu einer Verbrennungszone der zweiten Stufe stromabwärts von der Flammenkammer zu leiten, wobei Bypass-Durchgänge, die in dem Brennerblock ausgebildet sind, verwendet werden, und den Rahmen, der das Sauerstoffzufuhrgehäuse mit dem Brennerblock verbindet, zeigt,
Fig. 3B eine perspektivische Ansicht des Brennstoffauslaßkopfes des Gas-Brennstoff-Düsenmoduls ist, das in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist, die drei nierenför mige Sauerstoff-Fluß-Aperturen zeigt, die in einem ringförmigen Sauerstoff-Durchflußdosiergerät ausgebildet sind, das an dem Brennstoffauslaßkopf befestigt ist,
Fig. 3C eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brenneraufbaus entlang der Linie 3C-3C der Fig. 2 ist, die eine Basiswand des Sauerstoffzufuhrgehäuses, eine Wandapertur, die in der Basiswand ausgebildet ist, einen sauerstofführenden Kanal mit einem größeren Durchmesser, der in dem Rahmen ausgebildet ist, der das Sauerstoffzufuhrgehäuse mit dem Brennerblock verbindet, und einen sauerstofführenden Durchgang, der in dem Brennerblock ausgebildet ist, zeigt,
Fig. 4 eine alternative Ausführung des Brenneraufbaus von Fig. 3A ist, die einen ringförmigen, den Sauerstoff verteilenden Verteiler zeigt, der zwischen dem Rahmen und dem Brennerblock bereitgestellt ist,
Fig. 5 eine Vorderansicht entlang der Linie 5-5 der Fig. 4 ist, die vier bogenförmige Sauerstoffauslaßkanäle zeigt, die in der Feuerraumwand des Brennerblocks ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie um den Auslaßdurchgang der im Brennerblock ausgebildeten Flammenkammer herum liegen,
Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts des Brenneraufbaus entlang der Linie 6-6 der Fig. 4 ist, die eine Basiswand des Sauerstoffzufuhrgehäuses, eine in der Basiswand ausgebildete Wandapertur, einen sauerstofführenden Kanal mit größerem Durchmesser, der in dem Rahmen ausgebildet ist, der das Sauerstoffzufuhrgehäuse mit dem Brennerblock verbindet, einen kreisförmigen, den Sauerstoff verteilenden Verteiler, der zwischen dem Rahmen und dem Brennerblock vorgesehen ist, und einen sauerstofführenden Durchgang, der in dem Brennerblock ausgebildet ist, zeigt,
Fig. 7 eine weitere alternative Ausführung des Brenneraufbaus aus Fig. 3A ist, die ein Öl-Sauerstoff vernebelndes Brennstoff-Düsenmodul zeigt, das in das Sauerstoffzufuhrgehäuse montiert ist, und
Fig. 8 eine Vorderansicht entlang der Linie 8-8 der Fig. 7 ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein gestufter Sauerstoff-Brenneraufbau 10 einen Brennerblock 12, einen Rahmen 14, der an einem Einlaßende des Brennerblocks 12 montiert ist, und ein hohles Sauerstoffzufuhrgehäuse 16, das mit abnehmbaren Befestigungselementen 18 auf den Rahmen 14 montiert ist. Eine Brennstoffdüse 20 ist so positioniert, daß sie innerhalb des hohlen Sauerstoffzufuhrgehäuses 16 liegt, und ist durch einen abnehmbaren Flansch 22 am Platz gehalten. Aufgrund der modularen Natur des gestuften Sauerstoff-Brenneraufbaus 10 ist es leicht, die Brennstoffdüse 20 auszutauschen. Um den gestuften Sauerstoff-Brenneraufbau 10 von einer gasbefeuerten Einheit in eine ölbefeuerte Einheit umzuwandeln, ist es zum Beispiel nur notwendig, das in Fig. 3A gezeigte Gas-Brennstoff-Düsenmodul durch das in Fig. 7 gezeigte Öl-Brennstoff-Düsenmodul zu ersetzen.
Überdruck-Sauerstoff wird von einer Sauerstoffzufuhr 24 durch eine Leitung 26 zum hohlen Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 geliefert, wobei irgendein geeignetes Mittel benutzt wird. Überdruck-Brennstoff wird von einer Brennstoffzufuhr 28 durch eine Leitung 30 zur Brennstoffdüse 20 geliefert, wobei irgendein geeignetes Mittel benutzt wird. Das Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 wirkt mit dem Rahmen 14 und dem Brennerblock 12 zusammen, um einen Teil des Verbrennungssauerstoffs im Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 zu einer Region der ersten Stufe nahe der Wurzel einer Flamme innerhalb des Brennerblocks 12 zu liefern und den Rest des Verbrennungssauerstoffs zu einer Region der zweiten Stufe an einem Punkt näher an der Spitze der Flamme außerhalb des Brennerblocks 12 zu liefern. Dieser gestufte Sauerstoff-Brenneraufbau 10 dosiert den Verbrennungssauerstoff zu jeder Stufe, um unerwünschte Stickstoffoxidemissionen zu minimieren. Die Vorrichtung, die verwendet wird, um diese Sauerstoffdosierfunktion zu bewerkstelligen, ist präzise, leicht herzustellen und zu benutzen und wird im folgenden genauer beschrieben.
Wie in den Fig. 2 und 3A gezeigt, ist der Brennerblock 12 ausgebildet, um eine Flammenkammer 32 zu umfassen. Die Flammenkammer 32 hat einen Einlaßdurchgang 34 an einem Ende und einen Auslaßdurchgang 36 an ihrem entgegengesetzten Ende. Veranschaulichend, wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Sauerstoff 37 der ersten Stufe durch drei nierenförmige Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 in den Einlaßdurchgang 34 der Flammenkammer 32 ausgelassen und der Sauerstoff 39 der zweiten Stufe wird durch vier Sauerstoffauslaßkanäle 40, 41, 42, 43 an Stellen ausgelassen, die an den Auslaßdurchgang 36 der Flammenkammer 32 angrenzen.
Wie in Fig. 3A gezeigt, wird der Brenneraufbau 10 bei industriellen Verfahren verwendet, um eine Flamme 44 zu erzeugen, die sich in einen Feuerraum 46 erstreckt. Verschiedene Produkte 48 können durch den Feuerraum 46 befördert werden, um behandelt oder verarbeitet zu werden, wobei von der Flamme 44 erzeugte Hitze verwendet wird. Der Brenneraufbau 10 ist konfiguriert, um Produkte 48 zu erhitzen, die durch den Feuerraum 46 befördert werden, und um die Menge des während der Verbrennung erzeugten Stickstoffoxids zu minimieren. Insbesondere weist der Brenneraufbau 10 ein gestuftes Sauerstoffzufuhrsystem auf, das so funktioniert, daß ein Teil des Verbrennungssauerstoffs zu einer Region der ersten Stufe nahe der Wurzel der Flamme 44 und der Rest des Verbrennungssauerstoffs zu einer Region der zweiten Stufe an einer Stelle näher an der Spitze der Flamme 44 geliefert wird. Durch Umleiten eines Teils des Verbrennungssauerstoffs zu der Spitze der Flamme 44 ist es möglich, Stickstoffoxidemissionen zu verringern. Der Brenneraufbau 10 kann aufgrund seines verbesserten Emissionsverhaltens in einer großen Vielfalt von Anwendungen verwendet werden.
Wie in Fig. 3A gezeigt, ist der Brenneraufbau 10 konfiguriert, einen Naturgas-Brenner 69 der in dem U. S.-Patent 4,690,635 offenbarten Bauart zu umfassen. Veranschaulichend ist der Brenner 69 in der in Fig. 3A gezeigten Weise in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 befestigt.
Das Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 umfaßt eine Basiswand 52, die über die abnehmbaren Befestigungselemente 18 an den Rahmen 14 gekoppelt ist, und einen hohlen Mantel 54, der an der Basiswand 52 befestigt ist, um eine Kammer 56 zu definieren, die eine Zufuhr von Überdruck-Sauerstoff 57 von der Sauerstoffzufuhr 24 erhält. Der hohle Mantel 54 hat veranschaulichend eine pyramidenförmige Gestalt und vier dreieckige Seitenwände 58. Eine dieser dreieckigen Seitenwände 58 ist so ausgebildet, daß sie einen Sauerstoffdurchlaßkanal 60 aufweist, der mit der Leitung 26 gekoppelt ist, die Überdruck-Sauerstoff von der Sauerstoffzufuhr 24 befördert. Obgleich der Mantel 54 eine runde, quadratische, rechteckige oder andere Gestalt haben könnte, wird gegenwärtig eine pyramidenförmige Gestalt bevorzugt, um Platz in einer Feuerraum-Anwendung zu sparen.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt der hohle Mantel 54 an einem Ende eine Spitze 62 und erstrecken sich die vier dreieckigen Seitenwände 58 in divergierender Beziehung von der Spitze 62 zur Basiswand 52. Veranschaulichend ist die Spitze 62 ein wenig zylindrisch in ihrer Gestalt und so ausgebildet, daß sie eine zentrale Apertur 64 aufweist. Ein Abschnitt der Basiswand 52 unter dem hohlen Mantel 54 ist ausgebildet, eine erste Apertur 66 und vier zweite Aperturen 68 um die erste Apertur 66 herum aufzuweisen. Der Überdruck-Sauerstoff 37 der ersten Stute wird von der Sauerstoffzufuhrgehäusekammer 56 durch die erste Apertur 66 ausgelassen, die in der Basiswand 52 ausgebildet ist. Zur gleichen Zeit wird der Überdruck-Sauerstoff 39 der zweiten Stufe von der Sauerstoffzufuhrgehäusekammer 56 durch die zweiten Aperturen 68 ausgelassen, die in der Basiswand 52 ausgebildet sind. Veranschaulichend sind diese zweiten Aperturen 68 mit Zwischenraum in radialer Beziehung zu der ersten Apertur 66 angeordnet und in umfangsmäßiger Relation zueinander beabstandet.
Eine Gasleitung 70 ist innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet und umfaßt Mittel darauf, um einen gasförmigen Brennstoff hindurchzuleiten, der von der Gasleitung 70 ausgestoßen und mit dem Sauerstoff vermischt werden soll, um in einer dauerhaften Flamme zu verbrennen. Die Gasleitung 70 kann vorzugsweise eine oder mehrere O- förmige Ringdichtungen 72 aufweisen, die an einer Montagevorrichtung 71 angeordnet sind, die nahe des äußeren Endes der Gasleitung ausgebildet ist, um eine Dichtung mit einem hinteren Lippenabschnitt 75 der Spitze 62 des hohlen Mantels 54 zu bewirken.
Der Naturgasbrenner 69 umfaßt weiterhin eine Gasleitungsspitze oder einen Brennstoffauslaßkopf 73, der über den Gasleitungskanal 76 mit der Gasleitung 20 verbunden ist, und umfaßt eine im wesentlichen flache äußere stirnseitige Endfläche 78, wie dies am besten in Fig. 3B gezeigt wird. Auf der äußeren Endfläche 78 ist eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Erhöhung 80 angeordnet, die von der Endfläche 78 abragt. Das Durchflußdosiergerät 74 ist ein ringförmiger Flansch, der so ausgebildet ist, daß er die drei nierenförmigen Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 aufweist, und der an der Gasleitungsspitze 73 angebracht ist, wie dies in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist. Wenn der Naturgasbrenner 69 in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 installiert ist, wie in Fig. 3A gezeigt, ist die kegelstumpfförmige Erhöhung 80 so positioniert, daß sie sich in den Einlaßdurchgang 34 der Flammenkammer 32 erstreckt, und ist das Durchflußdosiergerät 74 so positioniert, daß es zwischen der ersten Apertur 66 in der Basiswand 52 und dem Einlaßdurchgang 34 liegt.
Die Gasleitungsspitze 73 umfaßt auch einen Zentralgaskanal 82, der zentral darin angeordnet ist und am nächstgelegenen Ende der kegelstumpfförmigen Erhebung 80 endet, so daß er im wesentlichen einen messerschneidenförmigen Rand 84 darauf bildet. Eine solche messerschneidenförmige Randstruktur 84 arbeitet derart, daß sie die Verbrennung für einige wenige Mikrosekunden verzögert und keine beträchtlich nutzbare Oberfläche zur Ablagerung von Kohlenstoff darauf zur Verfügung stellt. Die Öffnung des Zentralgaskanals 82 ist vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die einen gewählten Abstand von der Ebene der Endfläche 78 aufweist.
Die im Durchflußdosiergerät 74 ausgestalteten Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 kooperieren, um einen Kanal für Sauerstoff der ersten Stufe zu definieren, der eine erste wirksame Querschnittsfläche hat, die äquivalent zu der Summe der Querschnittsflächen der drei nierenförmigen Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 ist. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung sind Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 in einer kreisförmigen Gruppierung angeordnet, wobei die Gruppierung im wesentlichen konzentrisch zu dem Zentralgaskanal 82 ist. Diese Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 arbeiten derart, daß sie den von der Sauerstoffzufuhrgehäusekammer 56 ausgelassenen Überdruck- Sauerstoff durch die erste Apertur 66 in die Flammenkammer 32 des Brennerblocks durch dessen Einlaßdurchgang 34 passieren lassen. Im Betrieb passiert Überdruck- Sauerstoff aus dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 durch Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 in die Flammenkammer 32, um sich mit Naturgas oder einem anderen gasförmigen Brennstoff zu mischen, der durch den Zentralgaskanal 82 der Gasleitungsspitze 73 geliefert wird. Dieses brennbare Gemisch wird unter Verwendung geeigneter Mittel in der Flammenkammer 32 entzündet, um eine Flamme 44 zu erzeugen.
Wie in den Fig. 1 und 3A gezeigt, ist das Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 mit einem metallischen Unterstützungsblockhalter oder Rahmen 14 verbunden, der einen feu erfesten Brennerblock 12 aufweist, der mit einem geeigneten Hochtemperatur-Bindemittel (nicht dargestellt) in Position gehalten wird. Der Brennerblock 12 ist beispielsweise aus Zirkonoxid oder ZEDMUL 20C hergestellt und so ausgebildet, daß er eine sich longitudinal erstreckende und divergierende Flammenkammer 32 aufweist. Der Rahmen 14 hat zur Befestigung an der Wand ·88 des Feuerraums 46 einen Flanschabschnitt 86. Wie in Fig. 3A gezeigt, umfaßt der Brenneraufbau 10 einen Nasenabschnitt 90, der mit einer zentralen Auslaßöffnung oder einem ringförmigen Durchgang 92 versehen ist. Der Nasenabschnitt 90 hat angrenzend an sein Einlaßende einen Befestigungsflansch 94, der in geeigneter Weise an der Basiswand 52 befestigt ist, wobei, wie in Fig. 3A dargestellt, Befestigungsstifte verwendet werden. Eine Dichtung 96 ist zwischen dem Befestigungsflansch 94 und der Basiswand 52 vorgesehen, und die Dichtung 96 ist derart ausgebildet, daß sie einen großen Durchgang bei der ersten Apertur 66 aufweist.
Wie in Fig. 3A dargestellt, ist der Brenneraufbau 10 konfiguriert, um eine Verbrennungszone 110 der ersten Stufe in einer Region innerhalb der Flammenkammer 32 nahe der Wurzel 112 der Flamme 44 und eine Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe in einer Region innerhalb des Feuerraums 46 und außerhalb der Flammenkammer 32 zu der Spitze 116 der Flamme 44 hin vorzusehen. Ein kontinuierlicher Strom von Verbrennungs-Sauerstoff 57 wird dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 durch die Versorgungsleitung 26 zugeführt, um sicherzustellen, daß das Gehäuse 16 stets Überdruck-Sauerstoff enthält. Ein erster Strom 37 von Verbrennungs-Sauerstoff wird vom Gehäuse 16 in die Verbrennungszone 110 der ersten Stufe durch die Zentralauslaßöffnung 92 im Nasenabschnitt 90, wie oben beschrieben, ausgelassen. Ein zweiter Strom 39 von Verbrennungs-Sauerstoff wird vom Gehäuse 16 in die Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe durch mehrere Durchgänge, die die Flammenkammer 32 umgehen, ausgelassen, wie in Fig. 3A gezeigt.
Wie in den Fig. 2, 3A und 3C dargestellt, ist der Brennerblock 12 so ausgebildet, daß er vier sich longitudinal erstreckende Bypass-Durchgänge 40, 41, 42 und 43 aufweist, um den zweiten Strom 39 von Verbrennungs-Sauerstoff zu der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe zu führen, ohne die im Brennerblock 12 ausgebildete Flammenkammer 32 zu passieren. Der Brennerblock 12 umfaßt eine Außenwand 118, die so ausgebildet ist, daß sie einen Einlaßdurchgang 120 in jeden der sauer stofführenden Durchgänge 40, 41, 42 und 43 aufweist, und eine Feuerraumwand 122, die so ausgebildet ist, daß sie einen Auslaßdurchgang für jeden der sauerstoffführenden Durchgänge 40, 41, 42 und 43 aufweist. Die Flammenkammer 32 hat einen Einlaßdurchgang 34, der in einem inneren Abschnitt des Brennerblocks 12 ausgestaltet ist, und einen Auslaßdurchgang 36, der in der Feuerraumwand 122 des Brennerblocks 12 ausgestaltet ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die vier Auslaßdurchgänge in gleichförmig umfangsmäßig beabstandeter Relation um die Düse 20 und den Einlaßdurchgang 34 der Flammenkammer 32 angeordnet. Die vier Auslaßdurchgänge sind ebenfalls so angeordnet, daß sie in radial äquidistanter Relation zur Brennerspitzenöffnung 82 liegen, wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt ist.
Im Rahmen 14 sind vier sauerstofführende Kanäle so ausgebildet, daß sie den zweiten Strom 39 von Verbrennungs-Sauerstoff von Auslässen 68, die in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 ausgebildet sind, zu den sauerstofführenden Durchgängen 40, 41, 42 und 43, die in dem Brennerblock 12 ausgebildet sind, leiten. Zwei dieser sauerstofführenden Kanäle 124, 126 sind in Fig. 3A gezeigt, und ein sauerstofführender Kanal 128 ist im größeren Detail in Fig. 3C gezeigt. Jeder Sauerstoffzufuhrkanal umfaßt veranschaulichend ein Einlaßende 130, ein Auslaßende 132 und einen geradlinigen Abschnitt 134 zwischen den Einlaß- und Auslaßenden 130 und 132, wie in Fig. 3C gezeigt. Es versteht sich, daß die Anzahl und Form der sauerstofführenden Kanäle in Abhängigkeit von der Anwendung und ebenfalls von der Anordnung des Gehäuses 16 und der Einlaßdurchgänge 120 in die sauerstofführenden Durchgänge, die im Brennerblock 12 ausgebildet sind, variieren können.
Die in der Basiswand 52 ausgebildeten zweiten Aperturen 68 sind hinsichtlich ihrer Größe so ausgestaltet, daß sie den Fluß des zweiten Stroms 39 des Überdruck-Sauerstoffs durch die sauerstofführenden Kanäle, die im Rahmen 14 ausgebildet sind, und die sauerstofführenden Durchgänge 40, 41, 42 und 43, die im Brennerblock 12 ausgebildet sind, zu der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe regulieren. Der Innendurchmesser einer jeden zweiten Apertur 68 ist kleiner als der Innendurchmesser des korrespondierenden sauerstofführenden Kanals 128, der in dem Rahmen 14 ausgebildet ist, und der Innendurchmesser des korrespondierenden sauerstofführenden Kanals 41, der im Brennerblock 12 ausgebildet ist, wie beispielsweise in Fig. 3C gezeigt. Die Größe jeder zweiten Apertur wird in geeigneter Weise derart gewählt, daß die geringste Stickstoffoxidemission für die gewünschte Flammenform und -helligkeit der speziellen Brenneranwandung produziert wird.
Die effektive Querschnitts-Öffnungsfläche der zweiten Aperturen 68 wird festgelegt, wenn diese Aperturen 68 in die Basiswand 52 gebohrt werden. Durch Verkleinerung des Innendurchmessers von einer oder mehreren der zweiten Aperturen 68, verglichen mit den relativ größeren Innendurchmessern der korrespondierenden Stromabwärts-Kanäle und -Durchgänge, die im Rahmen 14 bzw. im Brennerblock 12 ausgebildet sind, ist es möglich, den Fluß von Überdruck-Sauerstoff 39, der zu der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe passiert, zu begrenzen oder anderweitig zu regulieren und zu kontrollieren. Es versteht sich, daß der Fluß des zweiten Stroms von Sauerstoff 39 durch die Größe der zweiten Aperturen 68 begrenzt ist, da die Querschnittsfläche jeder Apertur vorzugsweise kleiner ist als die Querschnittsfläche ihres korrespondierenden Stromabwärts-Rahmenkanals und -Brennerblock-Durchgangs.
Der Fluß von Überdruck-Sauerstoff, der von dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 in die Verbrennungszone 110 der ersten Stufe und die Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe ausgelassen wird, wird durch die Ausgestaltung der Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 in dem Durchflußdosiergerät aufgeteilt, um eine effektive Querschnittsfläche zu haben, die in Relation zu der effektiven Querschnittsfläche der zweiten Aperturen 68 in der Basiswand 52 festgelegt wird. Im wesentlichen werden diese zwei effektiven Querschnittsflächen so bemessen oder ins Verhältnis gesetzt, daß sie einen gestuften Sauerstoff-Brenneraufbau schaffen, der niedrige Stickstoffoxidemissionen aufweist. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausgestaltung wird die effektive Querschnittsfläche der nierenförmigen Sauerstoff-Fluß-Aperturen 38 (d. h. der Kanal für Sauerstoff der ersten Stufe) während der Herstellung des Durchflußdosiergeräts 74, das an dem Naturgasbrenner 69 befestigt ist, festgelegt. Das Verhältnis des Sauerstofflusses zwischen der Verbrennungszone 110 der ersten Stufe und der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe kann dann zur Anpassung an irgendeine spezielle Anwendung variiert werden, indem die zweiten Aperturen 68 in die Basiswand 52 des Sauerstoffzufuhrgehäuses 16 gebohrt oder in anderer Weise geformt werden. Es versteht sich, daß Vorratsgehäuse 16 mit ungebohrten Basiswänden 52 leicht zur Veränderung des Sauerstoffluß-Verhältnisses zwischen den Verbrennungszonen 110, 114 der ersten und zweiten Stufe adaptiert werden können, indem einfach ein Innendurchmesser für jede der zweiten Aperturen 68 gewählt wird, der so berechnet ist, daß er das gewünschte Resultat erzielt. Aufgrund der modularen Natur des Brenneraufbaus 10 ist es möglich, ein derartiges gestuftes Sauerstoffluß-Verhältnis zu ändern, indem einfach das alte Sauerstoffzufuhrgehäuse 16, das einen Satz von in der Basiswand 52 ausgebildeten zweiten Aperturen 68 aufweist, entfernt wird und gegen ein neues Sauerstoffzufuhrgehäuse ersetzt wird, das einen sich davon unterscheidenden Satz von zweiten Aperturen 68 hat.
Durch Abstellen oder Variieren des Flusses von Verbrennungssauerstoff 39 durch einen oder mehrere der sauerstofführenden Kanäle, die im Rahmen 14 ausgebildet sind, und sauerstofführenden Durchgänge 40, 41, 42 und 43, die im Brennerblock 12 ausgebildet sind, ist es möglich, die Brenneigenschaft und Form der Flamme 44 zu kontrollieren. Es wurde beobachtet, daß die Flamme 44 dazu tendiert, sich leicht zu einer Sauerstoffquelle hin zu beugen und daß eine geometrisch nicht perfekte Flamme weniger Stickstoffoxid erzeugen kann (vielleicht als Resultat eines Ungleichgewichts bei der Mischung von Brennstoff und Sauerstoff).
Die Flamme 44 kann einen gelb leuchtenden Abschnitt und einen "kälteren" blauen, nicht-leuchtenden Abschnitt aufweisen. In der Glasindustrie wird es oft bevorzugt, eine Flamme zu produzieren, die einen leuchtenden Abschnitt angrenzend an das Glas 48 hat, das im Feuerraum 46 erhitzt wird. Typischerweise bevorzugen Glas- Feuerraumbediener, den "kälteren", nicht-leuchtenden Abschnitt der Flamme 44 so zu positionieren, daß er zum Dach 136 des Feuerraums 46 zeigt. Dies erlaubt der Deckplatte oder dem Dach 136 des Feuerraums kühler zu arbeiten, weniger Hitze zu verlieren und ihre nutzbare Lebensdauer zu verlängern. Es wurde beobachtet, daß das Versorgen einer Flamme mit Sauerstoff bewirkt, daß der sauerstoffreiche Abschnitt der Flamme stärker nicht-leuchtend wird.
Es versteht sich, daß es möglich ist, den Innendurchmesser einer oder mehrerer zweiter Aperturen 68 relativ zu den anderen zweiten Aperturen 68 zu variieren, um die Helligkeit und Form der Flamme 44 zu kontrollieren. Es ist weiterhin möglich, eine oder mehrere zweite Aperturen 68 in der Basiswand 52 zu eliminieren (z. B. niemals zu bohren), um den Fluß des Überdruck-Sauerstoffs in und durch einen oder meh rere Rahmenkanäle und Brennerblockdurchgänge zum Erreichen der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe zu blockieren.
Der in den Fig. 4-6 gezeigte Brenneraufbau 138 ist dem in Fig. 3A gezeigten Brennerbaufbau 10 ähnlich. Der Brennerblock 12' ist in den Ausführungen der Fig. 4-6 so ausgestaltet, daß er einen ringförmigen Kanal 140 aufweist, der den Nasenabschnitt 90 umgibt und jeden der sauerstofführenden Durchgänge 40', 41', 42' und 43' zur Strömungsverbindung miteinander verbindet. Der Rahmen 14' weist Mittel zum Abdecken des ringförmigen Kanals 140 auf, um einen kreisförmigen sauerstofführenden Durchgang 142 dazwischen zu definieren. Dieser kreisförmige Durchgang 142 erhält Überdruck-Sauerstoff 39 von den in dem Rahmen 14' ausgebildeten und mit den in der Basiswand 52 ausgebildeten zweiten Aperturen 68 verbundenen sauerstofführenden Kanälen und transferiert diesen Überdruck-Sauerstoff 39 in die sauerstofführenden Durchgänge 40', 41', 42' und 43', die in dem Brennerblock 12' ausgebildet sind. Zwei Auslaßaperturen 144, 146 von zwei der sauerstofführenden Kanäle 148, 150, die im Rahmen 14 ausgebildet sind, sind in Fig. 4 gezeigt.
Wie in Fig. 5 gezeigt, haben die sauerstofführenden Durchgänge 40', 41', 42' und 43', die im Brennerblock 12' ausgebildet sind, eine bogenförmige Gestalt und enden in ringförmigen Durchgängen, die sich um den Auslaßdurchgang 36 der Flammenkammer 32 herum erstrecken. Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, passiert Überdruck- Sauerstoff der Reihe nach von der Kammer 56 im Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 durch die zweiten Aperturen 68, Rahmenkanäle 149 und Auslaßaperturen 144, 145, 146 und 147, den kreisförmigen Durchgang 142 und die ringförmigen sauerstofführenden Durchgänge 40', 41', 42' und 43' zu der Verbrennungszone 114 der zweiten Stufe.
Der einzige Unterschied zwischen der Ausführung gemäß Fig. 7 und der Ausführung gemäß Fig. 3A ist der Typ des Brennstoff-Düsenmoduls, der in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16 montiert ist. Eine Naturgasdüse 69 ist in der Ausführung gemäß Fig. 3A verwendet und eine Öldüse 152 ist in der Ausführung gemäß Fig. 7 verwendet. Hinsichtlich einer vollständigen Beschreibung der Öldüse 152 wird hiermit auf die Hauptanmeldung 08/092,008, die am 15. Juli 1993 eingereicht wurde, verwiesen, die, wie oben erwähnt, durch Verweis hier mit eingeschlossen ist.
Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt der Brenneraufbau 210 einen Nasenabschnitt oder ein Nasenteil 90, der mit einer Zentralauslaßöffnung oder einem ringförmigen Durchgang 92 versehen ist. Ein Ölzufuhraufbau 152 ist mittels eines sternförmigen Körpers oder zentrierenden Rings 154 innerhalb des Sauerstoffzufuhrgehäuses 16 zentral montiert gezeigt. Der Brennstoffzufuhraufbau 152 wird so gezeigt, daß er einen Einlaßkörperabschnitt 155, einen Zentralkörperabschnitt 156 und einen Brennerspitzenabschnitt 158 aufweist. Ein zentraler Brennstoff-Öl-Durchgang 160, der in einem Kanalglied 162 ausgebildet ist, ist mit einem Einlaßverbindungsstück zum Empfangen einer geeigneten Zufuhr von Brennstoff, wie z. B. Öl, versehen.
Der Brennerspitzenabschnitt 158 bildet eine Kammer 164 zwischen einem vorderen Kanalabschnitt des Kanalglieds 162 und dem inneren Umfangswandabschnitt des Brennerspitzenabschnitts 158. Ein Vernebelungsglied 166 ist an einem Auslaßende des vorderen Kanalabschnitts befestigt und ragt in den zentralen Brennstoff-Öl- durchgang 160 hinein. Das vordere Ende des Brennerspitzenabschnitts 158 endet an seinem äußeren Ende in einer Brennerspitzenöffnung.
Ein vernebelnder Fluiddurchgang 168 erstreckt sich durch den Einlaßkörperabschnitt 155 und den Zentralkörperabschnitt 156 des Brennstoffaufbaus 152 außerhalb vom Kanalglied 162 und kommuniziert an seinem Auslaßende mit der Kammer 164, die zwischen dem Brennerspitzenabschnitt 158 und dem Kanalglied 162 ausgebildet ist. Der vernebelnde Fluiddurchgang 168 ist an seinem Einlaßende mit einem Verbindungsglied versehen, um eine geeignete Zufuhr von vernebelndem Fluid, wie z. B. Sauerstoff, von der vernebelnden Fluidzufuhr 169 zu erhalten, die über eine Leitung 171 an den vernebelnden Fluiddurchgang 168 gekoppelt ist. Der zentrierende Ring oder sternförmige Körper 154 ist mit einer Vielzahl von Öffnungen oder Kanälen für den Fluß von Sauerstoff entlang der äußeren Oberfläche des Brennerspitzenabschnitts 158 nach außen versehen.
Ein Sauerstoffeinlaß 60 kommuniziert mit dem Sauerstoffzufuhrgehäuse 16, welches den Zentralkörperabschnitt 156 und den Brennerspitzenabschnitt 158 des Brennstoffzufuhraufbaus 152 umgibt. Ein erster Anteil 37 des Sauerstoffs, der dem Gehäuse 16 zugeführt wird, tritt aus der ersten Apertur 66, die in der Basiswand 52 ausgebildet ist, durch die Vielzahl von Sauerstoffkanälen oder -Öffnungen, die in dem sternförmigen Körper oder zentrierenden Ring 154 ausgebildet sind, aus, um eine Sauerstoffhülle um das vernebelte, von dem Auslaßende des Brennstoffaufbaus 152 ausgelassene Öl zu bilden. Ein verbleibender Anteil 39 des Sauerstoffs, der dem Gehäuse 16 zugeführt wird, wird umgeleitet, um durch zweite Aperturen 68, die in der Basiswand 52 ausgebildet sind, entlang eines anderen Pfads zu fließen, um die Flamme 44 in der oben beschriebenen Weise zu erreichen. Eine derartige Umleitung eines Verbrennungs-Sauerstofflusses ist ein wichtiges Merkmal des gestuften Sauerstoff-Brennstoffbrenneraufbaus und trägt zu den verringerten Stickstoffoxidemissionen bei, die durch den Brenneraufbau 210 erzielt sind.

Claims

1. Brenneraufbau (10) zum Vereinigen von Sauerstoff und Brennstoff, um eine Flamme zu erzeugen, wobei der Brenneraufbau umfaßt

einen Brennerblock (12), der ausgebildet ist, um eine Flammenkammer (32) mit einem Einlaßdurchgang (34) und einem Auslaßdurchgang (36) zu umfassen,

ein Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) zum Führen von Sauerstoff außerhalb der Flammenkammer (32) zu dem Auslaßdurchgang (36) der Flammenkammer,

ein Sauerstoffzufuhrgehäuse (16), das ein Kammermittel (56) zum Empfangen einer Zufuhr von Sauerstoff und eine an den Brennerblock (12) angrenzende Basiswand (52) umfaßt, wobei die Basiswand (52) ausgebildet ist, um ein erstes Aperturmittel (66) zum Auslassen von Sauerstoff aus dem Kammermittel (56) in die Flammenkammer (32) und ein zweites Aperturmittel (68) zum Auslassen von Sauerstoff aus dem Kammermittel (56) in das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) zu umfassen, und

ein Mittel (20) zum Auslassen von Brennstoff in die in dem Brennerblock ausgebildete Flammenkammer, wobei das Auslaßmittel eine Düse (20) umfaßt, wobei das erste Aperturmittel (66) eine in der Basiswand (52) ausgebildete erste Apertur (66) umfaßt, wobei das zweite Aperturmittel (68) zumindest eine zweite Apertur (68) umfaßt, die in der Basiswand (52) ausgebildet und angeordnet ist, um in beabstandeter Beziehung zu der ersten Apertur (66) zu liegen, und wobei das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) zumindest einen sauerstofführenden Durchgang (40, 41, 42, 43) umfaßt, der in dem Brennerblock (12) ausgebildet und zum Empfangen von Sauerstoff angeordnet ist, der durch eine korrespondierende zweite Apertur (68) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Düse durch die Kammer und das erste Aperturmittel erstreckt, das in der Basiswand ausgebildet ist, um Brennstoff in die Flammenkammer auszulassen, und der Innendurchmesser einer jeden, in der Basiswand (52) ausgebildeten zweiten Apertur (68) geringer ist als der Innendurchmesser eines korrespondierenden sauerstofführenden Durchgangs (40, 41, 42, 43), der in dem Brennerblock (12) ausgebildet ist, um die Strömung von Sauerstoff durch die sauer stofführenden Durchgänge (40, 41, 42, 43), die in dem Brennerblock (12) ausgebildet sind, zu regulieren.

2. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) einen hohlen Mantel (54) umfaßt, der an der Basiswand angebracht ist, um das Kammermittel (56) dazwischen zu definieren.

3. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin der Brennerblock (12) ausgebildet ist, um zumindest einen Sauerstoffdurchlaßkanal zu umfassen, der angrenzend an die Basiswand liegt und mit dem zweiten Aperturmittel (68) kommuniziert, und das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) an den Sauerstoffdurchlaßkanal gekoppelt und angeordnet ist, um durch den Brennerblock (12) zu verlaufen, um Sauerstoff von dem Kammermittel (56) durch den Brennerblock (12) zu dem Auslaßdurchgang (36) der Flammenkammer (32) zu leiten.

4. Brenneraufbau nach Anspruch 3, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) weiterhin einen Rahmen (14), der zwischen der Basiswand (52) und dem Brennerblock (12) angeordnet und mit dem Brennerblock (12) gekoppelt ist, und Befestigungsmittel (18) zum Verbinden der Basiswand (52) mit dem Rahmen (14) aufweist, und der Rahmen ausgebildet ist, um zumindest einen sauerstofführenden Kanal (126) zu umfassen, der das zweite Aperturmittel (68) und das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) in Strömungsverbindung miteinander verbindet.

5. Brenneraufbau nach Anspruch 4, worin das zweite Aperturmittel (68) eine Vielzahl von Wandaperturen umfaßt, die in der Basiswand (52) ausgebildet sind, und der Brennerblock (12) ausgebildet ist, um einen Sauerstoffdurchlaßkanal zu umfassen, der mit jeder Wandapertur (68) durch einen der sauerstofführenden Kanäle kommuniziert.

6. Brenneraufbau nach Anspruch 3, worin das zweite Aperturmittel (68) eine Vielzahl von Wandaperturen umfaßt, die in der Basiswand (52) ausgebildet sind, und der Brennerblock (12) ausgebildet ist, um einen Sauerstoffdurchlaßkanal zu umfassen, der mit jeder Wandapertur kommuniziert.

7. Brenneraufbau nach Anspruch 6, weiter umfassend ein Rahmenmittel (14) zum Abstützen des Brennerblocks (12), wobei die Basiswand (52) an dem Rahmenmittel (14) befestigt ist und wobei das Rahmenmittel ausgebildet ist, um sauerstofführende Kanäle (126) zu umfassen, die die in der Basiswand ausgebildeten Wandaperturen (68) und die in dem Brennerblock ausgebildeten Sauerstoffdurchlaßkanäle miteinander verbinden.

8. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin die Düse (20) eine Gasbrennstoffdüse oder eine Ölbrennstoffdüse ist.

9. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das Kammermittel (56), das in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse ausgebildet ist, nur die Düse enthält.

10. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin nur die Düse (20) durch das erste Aperturmittel (66) verläuft, das in der Basiswand (52) ausgebildet ist.

11. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin die Basiswand (52) rechteckig ist, das erste Aperturmittel (66) eine erste Apertur (66) umfaßt, die in einem Mittelabschnitt der rechteckigen Basiswand ausgebildet ist, und das zweite Aperturmittel (68) eine zweite Apertur (68) umfaßt, die in jedem von vier Eckabschnitten der Basiswand (52) ausgebildet und mit dem Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) gekoppelt ist.

12. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das auslassende Mittel (20) weiterhin einen entfernbaren Flansch (22) umfaßt, der mit der Düse eingreift und gewindemäßig mit dem Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) eingreift.

13. Brenneraufbau nach Anspruch 12, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) eine ringförmige Lippe (75) umfaßt, die eine zylindrische Düsenapertur definiert, die die Düse (20) aufnimmt, und der entfernbare Flansch (22) eine ringförmige Seitenwand umfaßt, die die ringförmige Lippe umgibt und mit der ringförmigen Lippe eingreift.

14. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das erste Aperturmittel (66) eine erste Apertur (66) umfaßt, die in der Basiswand (52) ausgebildet ist, das zweite Aperturmittel (68) zumindest eine zweite Apertur (68) umfaßt, die in der Basiswand (52) ausgebildet und angeordnet ist, um in beabstandeter Beziehung zu der ersten Apertur zu liegen, das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) zumindest einen sauerstofführenden Durchgang (40, 41, 42, 43) umfaßt, der in dem Brennerblock (12) ausgebildet und zum Empfangen von Sauerstoff angeordnet ist, der durch eine korrespondierende zweite Apertur (68) geführt wird, und der Innendurchmesser einer jeden zweiten Apertur (68), die in der Basiswand (52) ausgebildet ist, geringer ist als der Innendurchmesser eines korrespondierenden sauerstofführenden Durchgangs (40, 41, 42, 43), der in dem Brennerblock (12) ausgebildet ist, um die Strömung von Sauerstoff durch die sauerstofführenden Durchgänge zu regulieren, die in dem Brennerblock ausgebildet sind.

15. Brenneraufbau nach Anspruch 14, worin die Basiswand (52) rechteckig ist, die erste Apertur (66) in einem Mittelabschnitt der rechteckigen Basiswand ausgebildet ist und eine zweite Apertur (68) in jedem von vier Eckabschnitten der rechteckigen Basiswand ausgebildet ist.

16. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) einen hohlen Mantel (54) umfaßt, der an der Basiswand (52) angebracht ist, um das Kammermittel (56) dazwischen zu definieren, und der hohle Mantel (54) eine pyramidale Form aufweist und zumindest eine dreieckige Seitenwand umfaßt, die an der Basiswand (52) angebracht und ausgebildet ist, um einen Sauerstoffdurchlaßkanal (60) zu umfassen.

17. Brenneraufbau nach Anspruch 16, worin das Kammermittel (56), das in dem Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) ausgebildet ist, nur die Düse (20) enthält.

18. Brenneraufbau nach Anspruch 16, worin nur die Düse (20) durch das erste Aperturmittel (66) verläuft, das in der Basiswand (52) ausgebildet ist.

19. Brenneraufbau nach Anspruch 16, worin der hohle Mantel (54) eine Spitze und vier dreieckige Seitenwände umfaßt, die von der Spitze zu der Basiswand divergieren.

20. Brenneraufbau nach Anspruch 16, worin die Basiswand (52) rechteckig ist, das erste Aperturmittel (66) eine erste Apertur umfaßt, die in einem Mittelabschnitt der rechteckigen Basiswand ausgebildet ist, und das zweite Aperturmittel (68) eine zweite Apertur umfaßt, die in jedem von vier Eckabschnitten der Basiswand ausgebildet und an das Bypass-Mittel gekoppelt ist.

21. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) einen hohlen Mantel (54) umfaßt, der an der Basiswand (52) angebracht ist, um das Kammermittel (56) dazwischen zu definieren, der hohle Mantel eine Spitze und eine Seitenwand umfaßt, die sich zwischen der Spitze und der Basiswand erstreckt, die Spitze ausgebildet ist, um eine Apertur zu umfassen, und das Auslaßmittel (20) eine Düse umfaßt, die sich durch die in der Spitze ausgebildete Apertur und das in der Basiswand (52) ausgebildete erste Aperturmittel (66) erstreckt und in dem Einlaßdurchgang der Flammenkammer endet.

22. Brenner nach Anspruch 21, worin die Düse (20) einen Brennstoffauslaßkopf (73), eine Montagevorrichtung (71) und Mittel zum Messen des Sauerstoffdurchflusses (74) umfaßt und die Spitze des hohlen Mantels ausgebildet ist, um Mittel zum Stützen der Montagevorrichtung zu umfassen, um den Brennstoffauslaßkopf in dem Einlaßdurchgang und das Meßmittel an einer Schnittstelle zwischen dem ersten Aperturmittel und dem Einlaßdurchgang zu positionieren, um Sauerstoff zu regulieren, der in den Einlaßdurchgang strömt und sich mit dem Brennstoff mischt, der durch den Brennstoffauslaßkopf ausgelassen wird.

23. Brenneraufbau nach Anspruch 21, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) des weiteren ein modulares Befestigungsmittel (18) zum wahlweisen Verbinden der Basiswand (52) mit dem Brennerblock (12) umfaßt, so daß das Sauerstoffzufuhrgehäuse und die Düse (2) miteinander verbunden sind, um eine modulare Einheit zu bilden, die das erste und das zweite Aperturmittel enthält, und die von dem Brennerblock nach Wahl des Benutzers entfernbar ist.

24. Brenneraufbau nach Anspruch 1, worin das Sauerstoffzufuhrgehäuse (16) weiterhin einen hohlen Mantel (54), der an der Basiswand (52) angebracht ist, um das Kammermittel (56) dazwischen zu definieren, und ein modulares Befesti gungsmittel (18) zum wahlweisen Verbinden der Basiswand mit dem Brennerblock (12) umfaßt, um das erste Aperturmittel (66) gegenüberliegend zu dem Einlaßdurchgang der Flammenkammer (32) zu positionieren, so daß das Sauerstoffzufuhrgehäuse während einer Wiederherstellung des Brenneraufbaus von dem Brennerblock getrennt werden kann, und wobei das modulare Befestigungsmittel einen Rahmen (14), der positioniert ist, um zwischen der Basiswand und dem Brennerblock zu liegen, ein Mittel zum Koppeln des Rahmens an den Brennerblock und Befestigungselemente (18) umfaßt, die die Basiswand und den Rahmen miteinander verbinden.

25. Brenneraufbau nach Anspruch 24, worin das zweite Aperturmittel (68) zumindest eine zweite Apertur (68), die in der Basiswand (52) ausgebildet ist, und zumindest einen sauerstofführenden Kanal (126) umfaßt, der in dem Rahmen (14) ausgebildet und angeordnet ist, um Sauerstoff zu empfangen, der durch eine korrespondierende zweite Apertur geführt wird, wobei das Bypass-Mittel (40, 41, 42, 43) zumindest einen sauerstofführenden Durchgang (40) umfaßt, der in dem Brennerblock (12) ausgebildet und angeordnet ist, um Sauerstoff zu empfangen, der durch eine korrespondierende zweite Apertur und einen sauerstofführenden Kanal geführt ist, und wobei der Innendurchmesser einer jeden zweiten Apertur, die in der Basiswand ausgebildet ist, geringer ist als der Innendurchmesser sowohl eines korrespondierenden sauerstofführenden Kanals, der in dem Rahmen ausgebildet ist, als auch eines korrespondierenden sauerstofführenden Durchgangs, der in dem Brennerblock ausgebildet ist, um die Strömung von Sauerstoff durch den sauerstofführenden Durchgang zu regulieren, der in dem Brennerblock ausgebildet ist.

26. Brenneraufbau nach Anspruch 24, worin der Brennerblock (12) ausgebildet ist, um eine Vielzahl von sauerstofführenden Durchgängen (40, 41, 42, 43), die das Bypass-Mittel definieren, und einen ringförmigen Kanal (142) zu umfassen, der den Einlaßdurchgang der Flammenkammer umgibt und jeden der sauerstofführenden Durchgänge miteinander verbindet, und der Rahmen (14) ein Mittel zum Abdecken des ringförmigen Kanals, um einen kreisförmigen sauerstofführenden Durchgang zwischen dem Rahmen und dem Brennerblock zu definieren, und zumindest einen sauerstofführenden Kanal umfaßt, der das zweite Aperturmittel, das in der Basiswand ausgebildet ist, und den kreisförmigen sauerstofführenden Durchgang miteinander verbindet.