DE69632666T2

DE69632666T2 - Verbrennungsverfahren und Vorrichtung dafür mit getrennter Einspritzung von Brennstoff und Oxydationsmittel

Info

Publication number: DE69632666T2
Application number: DE69632666T
Authority: DE
Inventors: Louis C. Philippe; Harley A. Borders; Kenneth A. Mulderink; Pierre Bodelin; Patrick Recourt; Lahcen Ougarane; Remi Tsiava; Bernard Dubi; Laurent Rio
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1996-07-16
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: DE69632666D1; JP3989984B2; CN1195172C; US6068468A; CA2181292A1; CA2181292C; US5833447A; JP2007232364A; CN1148151A; JPH09112814A; EP0754912B1; ES2220965T3; EP0754912A3; JP4081129B2; EP0754912A2

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren und eine Vorrichtung dafür, welche getrennte Injektoren zur getrennten Einführung eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer eines Ofens, so dass der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel in einer breiten leuchtenden Flamme brennt, enthält und bei welcher die Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel reduzierte Mengen von Stickstoffoxiden (NO_x) erzeugt.
Industrielle Hochtemperaturverfahren, wie beispielsweise Glas- oder Fritteschmelzen, Verschmelzen von Eisen- oder Nichteisenmaterialien, verwenden große Mengen Energie, um eine Vielfalt von Rohmaterialien in ein heißgeschmolzenes Produkt umzuwandeln, welches dann gegossen, geformt oder in weiteren Stufen des industriellen Verfahrens anderweitig verarbeitet wird. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen in großen Öfen durchgeführt, welche ungefähr 500 Tonnen (metrisch) geschmolzenes Material pro Tag erzeugen können. Die Verbrennung im Ofen eines fossilen Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, zerstäubtes Brennöl, Propan oder dergleichen, mit einem Oxidationsmittel, welches Sauerstoff enthält, ist ein bevorzugtes Verfahren zum Zuführen der Energie. In manchen Fällen wird die Verbrennung durch elektrisches Heizen ergänzt. Meistens werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel durch Brenner in den Ofen eingeführt, um Flammen zu erzeugen. Die Übertragung von Energie von den Flammen auf das zu schmelzende Material resultiert aus einer Kombination von Wärmeströmung an der Oberfläche des Materials und Strahlung auf die Oberfläche des Materials oder in das Material, wenn es strahlungsdurchlässig ist. Flammen, welche hoch strahlend sind (für gewöhnlich als leuchtende Flammen bezeichnet), werden für gewöhnlich bevorzugt, da sie eine bessere Wärmeübertragung und somit einen höheren Heizeffekt bereitstellen.
Zum Flammenerhitzen ist es auch sehr wichtig, dass die Energie von der Flamme gleichmäßig über die Oberfläche des zu schmelzenden Materials verteilt wird. Andernfalls können im Ofen heiße und kalte Regionen nebeneinander bestehen, was nicht wünschenswert ist. Die Qualität von Produkten, welche mit Material. hergestellt werden, das in einem derartigen Ofen geschmolzen wird, ist oft schlecht. Zum Beispiel kann es in einem Bad von geschmolzenem Glas in kalten Regionen Glassteine und in heißen Regionen eine beschleunigte Verflüchtigung von Glas geben. Außerdem werden breite Flammen bevorzugt, da sie eine bessere Baddeckung ergeben.
In vielen Ländern, insbesondere in den Vereinigten Staaten, ergehen zunehmend strenge Vorschriften hinsichtlich NO_x-Emissionen. Es ist daher wichtig, Verbrennungstechniken zu entwickeln, bei welchen die NO_x-Bildung begrenzt ist. Bei Verfahren mit sehr hohen Temperaturen wird die NO_x-Bildung durch lange Verweilzeiten von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in heißen Regionen der Flamme und des Ofens gefördert. Die Verwendung von im Wesentlichen reinem Sauerstoff (90 O₂ oder mehr) anstelle von Luft als das Oxidationsmittel hat sich als sehr erfolgreich erwiesen, indem sie die NO_x-Emissionen um ungefähr 90% reduziert, da der gesamte Stickstoff entfernt wird. Die Ersetzung von Luft durch im Wesentlichen reinen Sauerstoff erhöht jedoch die Flammentemperatur, wodurch im Ofen Regionen erzeugt werden, in welchen die Reaktionsfreudigkeit von Stickstoff mit Sauerstoff hoch ist und die Bildung von NO_x proportional zunehmen kann, selbst wenn sie im Vergleich zur Verbrennung mit Luft global gesehen geringer ist. Außerdem ist es in der Praxis unmöglich, den gesamten Stickstoff aus dem Ofen zu entfernen, da Industrieöfen nicht luftdicht sind, der Brennstoff für gewöhnlich etwas Stickstoff enthält und der Sauerstoff, der von Nichttieftemperaturquellen zugeführt wird, wie beispielsweise Sauerstoff, welcher durch eine Vakuum schwenkadsorptionsanlage (VSA für engl. vacuum swing adsorption) erzeugt wird, eine geringe Reststickstoffkonzentration enthält.
Herkömmliche Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff für Heizöfen verwenden Sauerstoff-Brennstoff-Nachmischbrenner. Herkömmliche Sauerstoff-Brennstoff-Brenner weisen einen Metallkörper mit Einlässen für einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel mit einer hohen Konzentration von Molekularsauerstoff und Mittel zum Befördern der Ströme mit getrennten, koaxial ausgerichteten Kanälen zu mehreren Injektoren, welche am Brennermundstück angeordnet sind, auf. Diese Brenner erzeugen Hochtemperaturflammen mit der Form eines feinen Pinsels am Brennermundstück, welches sich tief genug im Ofen befinden muss, um Überhitzen der Ofenwände zu vermeiden oder zu reduzieren. Infolge der hohen Temperaturen, welche in Schmelzöfen vorherrschen, ist ein wichtiger Nachteil dieser Brenner die Notwendigkeit einer Kühlung, für gewöhnlich eines Mantels, in dem ein umlaufendes Fluid, wie beispielsweise Wasser, für die Kühlung sorgt. Ein derartiger Brenner wird zum Beispiel im britischen Patent 1,215,925 beschrieben. Ernste Korrosionsprobleme für den Kühlmantel können insbesondere dann auftreten, wenn die Ofenatmosphäre kondensierbare Dämpfe enthält.
Der gasgekühlte Sauerstoff-Brennstoff-Brenner ist eine Verbesserung des wassergekühlten Brenners. Der Körper des Brenners wird durch einen feuerfesten Stein, welcher häufig als Brennerblock bezeichnet wird und einen im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum besitzt, der in den Ofen führt, vor der Ofenstrahlung geschützt. Der Brenner ist für gewöhnlich an der Rückseite des Hohlraums angebracht, und er enthält für gewöhnlich konzentrische Brennstoff- und Oxidationsmittelinjektoren, welche sich im Hohlraum befinden, indem sie aus der Innenwand des Ofens ausgespart sind. Der Stein und der Brenner werden durch einen peripheren ringförmigen Strom von Gas, für gewöhnlich Oxidationsgas, gekühlt. Derartige Brenner werden z. B. in USP 5,396,390 und USP 5,267,850 beschrieben. Bei dieser Art von Brenner beginnt die Verbrennung im Brennerblock vor Erreichen des Ofens. Die Flamme wird somit im zylinderförmigen Hohlraum eingeschlossen und als schmaler achsenymmetrischer Strahl durch denselben durchgeleitet und stellt eine ungenügende Deckung der Schmelze im Ofen bereit. Diese Flammen weisen hohe Temperaturspitzen auf und erzeugen verhältnismäßig große Mengen NO_x, da ein direkter Kontakt zwischen dem Sauerstoff und dem Brennstoff ohne Verdünnung durch die Verbrennungsprodukte besteht.
Ein anderer Nachteil dieser gasgekühlten Brenner liegt darin, dass die Flamme die feuerfeste Wand des Ofens überhitzen und beschädigen kann, da sie in der Wand selbst beginnt. Auch Umwälzzonen neigen unter der Flamme selbst dazu, den Verschleiß des feuerfesten Materials zu beschleunigen, wenn die Ofenatmosphäre mit dem feuerfesten Material der Ofenwand chemisch reagiert, was die Lebensdauer des Ofens verkürzen kann.
Das britische Patent 1,074,826 und USP 5,299,929 offenbaren Brenner, welche mehrere alternierende Sauerstoff- und Brennstoffinjektoren in parallelen Reihen zu enthalten, um eine flachere Flamme zu erhalten. Obwohl dies eine Verbesserung hinsichtlich der Deckung der Schmelze bringt, erzeugen diese Brenner noch verhältnismäßig große Mengen NO_x. Ein anderer Nachteil dieser Brenner ist, dass sie mechanisch komplex zu bauen sind, um eine flache Flamme zu erhalten.
Es ist auch bekannt, Brennstoff und Oxidationsmittel durch Ströme von getrennten distanzierten Injektoren in eine Verbrennungskammer einzuspritzen, um Flammen zu erzeugen, welche von der Ofenwand getrennt sind, um den Verschleiß des feuerfesten Materials zu reduzieren. Eine derartige Vorrichtung wird in USP 5,302,112 be schrieben, wobei Brennstoff- und Oxidationsmittelstrahlen in einem zusammenlaufenden Winkel in einen Ofen eingespritzt werden, was ein gutes Vermischen der Oxidations- und Brennstoffgase am Annäherungspunkt der beiden Strahlen ergibt, wodurch zwar die Verbrennungsgeschwindigkeit verbessert, aber die Flamme verkürzt wird. Die Flamme eines derartigen Brenners weist jedoch eine sehr hohe Temperaturspitze auf, und es werden große Mengen von Stickstoffoxiden im Ofen erzeugt. Um diese hohe Temperaturspitze zu senken und die Bildung von NO_x wesentlich zu reduzieren, wurde in USP 4,378,205 vorgeschlagen, die Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrahlen mit sehr hohen Geschwindigkeiten einzuspritzen und getrennte Brennstoffeinspritzungen und Oxidationsgaseinblasungen zu verwenden, wobei die Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelstrahlen Verbrennungsprodukte, die in der Ofenatmosphäre enthalten sind, mitführen und vor der tatsächlichen Verbrennung zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel verdünnt werden. Die Flammen, welche durch diese Brenner erzeugt werden, sind jedoch beinahe unsichtbar, wie darin in Spalte 9, Zeile 58 bis 65, offenbart. Es ist somit für einen Ofenarbeiter äußerst schwierig, die Position der Verbrennungszonen zu bestimmen und/oder zu steuern, sowie festzustellen, ob die Brennervorrichtung tatsächlich eingeschaltet ist oder nicht, was gefährlich sein kann. Ein anderer Nachteil dieses Brenners ist, dass die Mitführung von Verbrennungsprodukten starke Umwälzströme von Gasen im Ofen fördert, was wiederum den Verschleiß der feuerfesten Wände des Ofens beschleunigt. Außerdem erfordert die Verwendung von Oxidationsmittelstrahlen mit hoher Geschwindigkeit die Verwendung einer Hochdruckoxidationsmittelzuführung, was bedeutet, dass das Oxidationsgas entweder bei hohem Druck erzeugt oder geliefert werden muss (das Brennstoffgas ist für gewöhnlich bei verhältnismäßig hohem Druck) oder dass das Oxidationsgas, wie beispielsweise das Niederdrucksauerstoffgas, welches für gewöhnlich durch eine VSA-Einheit zugeführt wird, vor dem Einspritzen in den Ofen wieder verdichtet werden muss.
US 2,149,980 beschreibt ein Verbrennungsverfahren, welches den Schritt des getrennten Einspritzens eines Brennstoffstroms und eines oder zweier Oxidationsmittelströme umfasst. Gemäß einer Verwirklichung wird ein Oxidationsmittelstrom verwendet, und der Brennstoffstrom ist parallel zum Oxidationsmittelstrom. Gemäß einer anderen Verwirklichung werden zwei Oxidationsmittelströme verwendet: einer ist parallel zum Brennstoffstrom, und der andere wird so eingespritzt, dass er den Brennstoffstrom in einem Winkel von etwa 45° schneidet. Dieser Schnittpunkt wird sehr schnell erhalten, da zwischen dem Oxidationsmittelinjektor und dem Brennstoffinjektor am Ausgang des Brenners kein Abstand vorhanden ist. Dieser Brenner kann keine breite lange Flamme bereitstellen.
Die Brenner, die heutzutage verwendet werden, sind nur zur Verwendung von gasförmigem Brennstoff oder flüssigem Brennstoff (vielleicht durch Sprühen des flüssigen Brennstoffs) ausgelegt, aber sie können nicht beide Brennstoffarten gleichzeitig verbrennen oder leicht von gasförmigem Brennstoff auf flüssigen Brennstoff umschalten.
Flüssige Brennstoffe weisen ihre eigenen Probleme für den Verbrennungshandwerker auf. Der flüssige Brennstoff wird normalerweise zerstäubt, und es stehen mehrere verschiedene Techniken für die Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen zur Verfügung. Die Aufgabe ist es, Strahlen von flüssigen Fluidtröpfchen (auch „Sprühregen" genannt) zu erzeugen, welche definierte geometrische Charakteristiken aufweisen. Die gewöhnlichen flüssigen Brennstoffe sind im flüssigen Zustand nicht besonders entflammbar: nur im gasförmigen Zustand sind sie imstande, eine Oxidationsreaktion zu unterstützen, die schnell genug ist, um die Entstehung einer Flamme zu bewirken. Wenn das Erlangen von beständigen Flammen mit Brennstoffen gewünscht wird, die bei Umgebungstemperatur flüssig oder zähflüssig sind, liegt die Hauptschwierigkeit somit darin, diese Flüssigkeit „auf geschickte Weise so zu konditionieren", dass sie schnell verdampft, um die Oxidationsreaktionen im Inneren der Flamme zu unterstützen.
Das Verfahren, das zurzeit verwendet wird, um dieses „geschickte Konditionieren" zu erreichen, besteht in der Zerstäubung des Brennstoffs in Form von. Tröpfchen: auf diese Weise wird für eine bestimmte Menge Brennstoff eine wesentliche Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche, welche dem Oxidationsmittel ausgesetzt wird (je kleiner die Tropfen sind, umso größer ist die Grenzfläche – die Verdampfungsstelle), ermöglicht.
In vereinfachtem Sinne gibt es drei Hauptverfahren, um die Zerstäubung einer Flüssigkeit zu erreichen:

1. Die Rotationsgefäßzerstäubung bezieht das Zerteilen des Fluids mit der Luft eines sich bewegenden mechanischen Elements ein.
2. Bei der mechanischen Zerstäubung wird der Brennstoff auf sehr hohe Drucke verdichtet (15 bis 30 bar), wodurch eine hohe kinetische Energie auf ihn ausgeübt wird. Diese Energie führt zur Scherung der Flüssigkeit, wenn sie mit der Außenluft in Kontakt gebracht wird, und führt somit zur Bildung von Tröpfchen.
3. Die gasfluidgestützte Zerstäubung kann verwendet werden, um bei gleichzeitigem Erreichen einer Einsparung von hohen Drucken (2 bis 6 bar) zu einem ähnlichen Ergebnis zu kommen.

In vereinfachtem Sinne können je nachdem, ob der flüssige Brennstoff und das Zerstäubungsfluid innerhalb oder außerhalb des Zerstäuberkopfs in Kontakt gebracht werden, zwei Arten von gasfluidgestützter Zerstäubung unterschieden werden. Diese Arten können als interne Zerstäubung und externe Zerstäubung bezeichnet werden.
Die interne Zerstäubung ist durch den Einschluss des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids in einer Emulsionskammer gekennzeichnet. Die Art und Weise der Einführung der beiden Fluide in diese Kammer kann beträchtlich variieren und hat einen direkten Einfluss auf die Charakteristiken der Emulsion, welche die Kammer verlässt. Gleichermaßen wirkt sich auch die innere Geometrie dieser Kammer (Gesamtvolumen, Schaufeln zum Erzeugen von Drehung, Anzahl und Durchmesser der Einlass- und Auslassöffnungen und so weiter) auf die spezifischen Charakteristiken der zu verbrennenden Brennstoff/Zerstäubungsfluid-Mischung aus.
Diese Art und Weise der Zerstäubung gewährt im Allgemeinen eine ausgezeichnete Zerstäubungsqualität, das heißt, eine Emulsion, welche sich aus sehr kleinen Partikeln mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung um diese kleinen Durchmesser zusammensetzt. Bei einer bestimmten Brennstofffördermenge ist diese Emulsionsqualität natürlich eine Funktion der eingesetzten Zerstäubungsfluidfördermenge und des Druckniveaus, das im Innenraum der Zerstäubungskammer vorherrscht.
Für die externe Zerstäubung, bei welcher der Kontakt zwischen den beiden Phasen außerhalb jeglichen eingeschlossenen Raumes stattfindet, wird die Emulsion hauptsächlich durch Scheren des Strahls von flüssigem Brennstoff durch das Zerstäubungsfluid erzeugt. Die Geometrie der Auslässe für die beiden Fluide bestimmt zur Gänze die Qualität der Zerstäubung, und eine Partikelgrößenanalyse der Tropfen, welche aus dem Kontakt resultieren, zeigt eine verhältnismäßig breite Durchmesserverteilung (gleichzeitige Gegenwart von kleinen und großen Partikeln).
Auf dem Gebiet der Zerstäubung von flüssigem Brennstoff ist die wichtigste bekannte Priorität für die Erfindung die veröffentlichte europäische Patentanmeldung Nr. 0687858 A1, welche ein Gerät für die externe Zerstäubung beansprucht, das einen sehr schmalen Sprühwinkel (weniger als 15°) erzeugt. Diese veröffentlichte Anmeldung beansprucht insbesondere, dass der Winkel, der zwischen dem Zerstäubungsfluid und dem flüssigen Brennstoff gebildet wird, zwischen 5° und 30° betragen muss, um diese spezifische Charakteristik mit Erfolg zu erreichen.
Ein anderes Gerät zur Zerstäubung von flüssigem Brennstoff ist jenes, welches in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0335728 A3 offenbart wird, die ein Gerät zur Einführung eines Fluids in einen Verbrennungsraum mithilfe von mehreren verschiedenen Leitungen, welche von einer gemeinsamen Hauptleitung abzweigen, beansprucht.
Es besteht ein Bedarf an einem Brenner, welcher insbesondere für das Oxidationsgas bei niedrigem Druck arbeiten kann, während er eine breite flache leuchtende Flamme mit reduzierten NO_x-Emissionen erzeugt, und welcher das Steuern der Flammenlänge auf eine solche Weise ermöglicht, dass die Flamme an den Ofen, in dem sie verwendet wird, angepasst wird. Es besteht auf dem Fachgebiet auch ein Bedarf an einem Brenner mit der Fähigkeit, gasförmige Brennstoffen und flüssige Brennstoffen entweder gleichzeitig oder abwechselnd zu verbrennen. In der Verbrennungstechnik besteht ein Bedarf an einem Zerstäuber für flüssigen Brennstoff, der in den Rahmen der dritten Zerstäubungsart fällt, einem kompletten Gerät, das eine gesteuerte Fluideinführung in die Verbrennungszone ermöglicht, die eine Zweiphasengemisch aus Zerstäubungsgas und Tröpfchen flüssigen Brennstoffs ist, wobei die Zerstäubung außerhalb der Düse (externe Zerstäubung) stattfindet und dennoch die Bildung unterschiedlicher Sprühstrahlen mit großen relativen Winkeln (5° bis 30°) erlaubt. Insbesondere sind in der Verbrennungstechnik ein Gerät zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs, welches ein gasförmiges Fluid verwendet, und die Anwendung dieses Geräts in einem Brenner, wie beispielsweise den hierin beschriebenen Brennereinheiten, erwünscht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Verfahren und Systeme zur Verbrennung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, vorgestellt, wobei der Brennstoff und das Oxidationsgas in getrennten Fluidströmen in solchen Proportionen in eine Verbrennungskammer eines Hochtemperaturofens (mit einer Temperatur von wenigstens 820°C oder 1.500°F) eingespritzt, dass das Molverhältnis von Sauerstoff im Oxidationsmittelstrom zu Brennstoffstrom zwischen 0,95 und 1,05 beträgt (stöchiometrisches Verhältnis), wobei der Brennstoff und das Oxidationsmittel eine breite, leuchtende, gut definierte Flamme bilden. Die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung erzeugen geringe Mengen NO_x.
Im Allgemeinen ist die erfinderische Brennereinheit gekennzeichnet durch wenigstens einen Brennstofffluideinlass und wenigstens einen Oxidationsmittelfluideinlass, Mittel zum Befördern des Brennstofffluids vom Brennstoffeinlass zu einer Mehrzahl von Brennstoffauslässen, wobei das Brennstofffluid die Brennstoffauslässe in Brennstoffströmen verlässt, welche in eine Verbrennungskammer eingespritzt werden, Mittel zum Befördern des Oxidationsmittelfluids von den Oxidationsmitteleinlässen zu wenigstens einem Oxidationsmittelauslass, wobei das Oxidationsmittelfluid die Oxidationsmittelauslässe in Oxidationsmittelfluidströmen verlässt, welche in die Verbrennungskammer eingespritzt werden, wobei die Brennstoff- und Oxidationsmittelauslässe physisch getrennt und geometrisch so angeordnet sind, dass sie den Brennstofffluidströmen und den Oxidationsmittelfluidströmen Winkel (hierin als „Endwinkel" bezeichnet) und Geschwindigkeiten (bei Eintreten des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in die Verbrennungskammer) verleihen, welche die Verbrennung des Brennstofffluids mit dem Oxidationsmittel in einer beständigen, breiten und leuchtenden Flamme erlaubt.
Somit ist ein Aspekt der Erfindung eine Brennereinheit, welche eine verbesserte Steuerung der Flammenlänge und -form aufweist und gekennzeichnet ist durch:
einen feuerfesten Block, der so ausgelegt ist, dass er mit Oxidationsmittel- und Brennstoffquellen in Fluidverbindung steht, wobei der feuerfeste Block ein Brennstoff- und Oxidationsmitteleingangsende und ein Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende aufweist, das Ausgangsende Brennstoffausgänge und Oxidationsmittelausgänge aufweist, und der feuerfeste Block ferner aufweist: eine Mehrzahl von Brennstoffhohlräumen, wobei wenigstens zwei der Brennstoffhohlräume eine erste Brennstoffebene definieren, und eine Mehrzahl von Oxidationsmittelhohlräumen, welche eine zweite Oxidationsmittelebene definieren, wobei die Brennstoffhohlräume zahlreicher als die Oxidationsmittelhohlräume sind.
Bevorzugt werden Brennereinheiten dieses Aspekts der Erfindung, bei welchen die Oxidationsmittelausgänge größer als die Brennstoffausgänge sind, und Ausführungsformen, bei welchen ein oder mehr Hohlräume einen Injektor darin positioniert aufweisen, wie hierin definiert.
Bevorzugte feuerfeste Blöcke weisen wenigstens fünf Hohlräume auf, nämlich drei Hohlräume an einem unteren Abschnitt davon zur Einspritzung von Brennstoff in eine Ofenverbrennungskammer und zwei Hohlräume an einem oberen Abschnitt davon zur Einspritzung eines Oxidationsmittels in eine Ofenverbrennungskammer.
Alternativerweise und insbesondere, wenn flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Brennöl, als der Brennstoff verwendet werden, sind die Oxidationsmittelhohlräume vorzugsweise zahlreicher als die Brennstoffhohlräume.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform (einer so genannten „Doppelbrennstoff"-Ausführungsform) weist der feuerfeste Block wenigstens einen Hohlraum für flüssigen Brennstoff und wenigstens einen Hohlraum für gasförmigen Brennstoff auf. In diesen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass der Hohlraum für flüssigen Brennstoff unter diesen Hohlräumen für gasförmigen Brennstoff positioniert ist und die Hohlräume für gasförmigen Brennstoff unter den Oxidationsmittelhohlräumen positioniert sind, wie hierin näher beschrieben wird.
Vorzugsweise sind die Brennstoff- und Oxidationsmittelausgänge kreisförmig und profiliert. Die Hohlräume sind vorzugsweise gerade Löcher durch den feuerfesten Block von einem Fluideingangsende des Blocks zu einem Fluidausgangsende des Blocks. Die Brennereinheit der Erfindung kann in einigen bevorzugten Ausführungsformen einen Brennstoffverteiler oder -zerstäuber umfassen, welcher ein einzelnes einstückiges Bauteil ist, das in einen Hohlraum des feuerfesten Blocks passt, wobei der Brennstoffverteiler mehrere Brennstoffausgänge aufweist.
Eine andere Ausführungsform der Brennereinheit der Erfindung ist jene, welche durch einen feuerfesten Block gekennzeichnet ist, der ein Brennstoff- und Oxidationsmitteleingangsende und ein Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende aufweist und ferner einen einzelnen Hohlraum für flüssigen Brennstoff und eine Mehrzahl von Oxidationsmittelhohlräumen aufweist, wobei die Oxidationsmittelhohlräume eine Oxidationsmittelebene definieren, welche an einem oberen Abschnitt des feuerfesten Blocks und über dem Hohlraum für flüssigen Brennstoff positioniert ist.
Noch eine andere Brennereinheit der Erfindung ist durch einen feuerfesten Block gekennzeichnet, welcher ein Brennstoff- und Oxidationsmitteleingangsende und eine Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende aufweist und ferner eine Mehrzahl von Brennstoffhohlräumen und eine Mehrzahl von Oxidationsmittelhohlräumen aufweist, wobei wenigstens zwei der Oxidationsmittelhohlräume eine erste Oxidationsmittelebene definieren, welche an einem oberen Abschnitt des feuerfesten Blocks und über einem Abschnitt der Brennstoffhohlräume, welche eine Brennstoffebene definieren, positioniert ist, wobei wenigstens einige der Oxidationsmittelhohlräume eine zweite Ebene in einer Position, die im feuerfesten Block tiefer als die erste Oxidationsebene liegt, bilden und wobei wenigstens einer der Oxidationsmittelhohlräume in der zweiten Oxidationsmittelebene einen Brennstoffinjektor mit einem Durchmesser, der kleiner als sein entsprechender Oxidationsmittelhohlraum ist, darin positioniert aufweist.
Eine andere Ausführungsform der Brennereinheit der Erfindung ist durch einen feuerfesten Block gekennzeichnet, welcher ein Brennstoff- und Oxidationsmitteleingangsende und ein Brennstoff- und Oxidatiansmittelausgangsende aufweist und ferner eine Mehrzahl von Brennstoffhohlräumen und einen einzelnen Oxidationsmittelhohlraum aufweist, wobei der Oxidationsmittelhohlraum an einem oberen Abschnitt des feuerfesten Blocks und über einem Abschnitt der Brennstoffhohlräume, welche eine Brennstoffebene definieren, positioniert ist. Der Oxidationsmittelhohlraum selbst (Querschnitt) und sein Ausgang müssen nicht kreisförmig, sondern können beispielsweise rechteckig, oval, ellipsoidisch und dergleichen sein, weisen aber auf alle Fälle vorzugsweise profilierte Kanten an der Blockausgangsseite auf, wie hierin beschrieben.
Eine andere Brennereinheit der Erfindung ist gekennzeichnet durch:

a) wenigstens zwei Brennstoffinjektoren, welche eine erste Ebene definieren;
b) wenigstens einen Oxidationsmittelinjektor;
c) eine Wand, durch welche die Oxidationsmittel- und die Brennstoffinjektoren in eine Verbrennungskammer vorstehen, wobei die Injektoren in der Wand herausnehmbar befestigt sind;

Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

a) Bereitstellen einer Zufuhr eines Oxidationsmittelfluidstroms;
b) Einspritzen des Oxidationsmittelfluidstroms in eine Verbrennungskammer, um wenigstens einen eingespritzten Oxidationsmittelfluidstrom zu erzeugen;
c) Bereitstellen einer Zufuhr eines Brennstofffluidstroms;
d) Einspritzen des Brennstofffluidstroms in die Verbrennungskammer, um wenigstens zwei eingespritzte Brennstofffluidströme zu erzeugen;
e) Erzeugen einer im Wesentlichen ebenen Schicht von Brennstofffluid in der Verbrennungskammer durch Einspritzen der wenigstens zwei eingespritzten Brennstofffluidströme in die Verbrennungskammer, wobei wenigstens zwei der eingespritzten Brennstofffluidströme im Wesentlichen in einer ersten Brennstoffebene angeordnet sind;
f) Schneiden des Oxidationsmittelfluidstroms mit der Schicht von Brennstofffluid in der Verbrennungskammer; und
g) Verbrennen des Brennstofffluids mit dem Oxidationsmittelfluid in der Verbrennungskammer.

In bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung weisen zwei benachbarte Brennstofffluidströme einen auseinander strebenden Endwinkel auf, der nicht größer als 15° ist. Andere bevorzugte Verfahren sind jene, in welchen gasförmige und flüssige Brennstoffe gleichzeitig verbrannt werden, sowie Verfahren, in welchen zuerst gasförmiger Brennstoff (oder flüssiger Brennstoff) und dann flüssiger Brennstoff (oder gasförmiger Brennstoff) verbrannt wird.
Es wurde festgestellt, dass die Flamme breiter ist, wenn die Oxidationsmittelströmungshohlräume auf eine auseinander strebende Weise angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen kann die Flammenbreite durch Versehen der Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelströmungshohlräume mit einem auseinander strebenden Endwinkel, der etwas größer als ihr auseinander strebender Anfangswinkel ist, vergrößert werden (ohne bedeutende Abnahme der Flammenlänge), wie hierin näher beschrieben. Außerdem werden in einigen bevorzugten Ausführungsformen Oxidationsmittel- und Brennstoffinjektoren (insbesondere für Brennstoff) verwendet, welche in die Brennstoff- und/oder Oxidationsmittelhohlräume passen.
Andere Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung umfassen die Bereitstellung von verschiedenen Anständen zwischen Oxidationshohlräumen und Brennstoffhohlräumen in Abhängigkeit von der Art von Brennstoff, welcher verbrannt wird (zum Beispiel gasförmiger Brennstoff zu flüssigem Brennstoff); nicht parallelen Oxidationsmittelhohlräumen (d. h. mit auseinander strebenden Winkeln) und die Bereitstellung insbesondere für Brennölzwecke eines Brennstoffinjektors mit mehreren auseinander strebenden Brennstoffsubinjektoren, wobei der Brennstoffinjektor in einem Hohlraum des feuerfesten Blocks angeordnet ist.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines feuerfesten Blockbauteils einer Brennereinheit der vorliegenden Erfindung, wobei die Brennstoff-„Schicht" durch Verwenden von drei (3) Brennstoffinjektoren, die in einer ersten Ebene angeordnet sind, hergestellt ist und wobei das Oxidationsmittel durch zwei (2) Injektoren, welche in einer zweiten Ebene angeordnet sind, zugeführt wird;
2 ist eine Vorderansicht der Anordnung von 1;
3 ist eine schematische Seitenansicht des Verbrennungsprozesses, der in einem Ofen stattfindet, wenn die Bauform von 1 oder 2 verwendet wird;
4 ist eine Draufsicht des Prozesses von 3;
5 veranschaulicht eine zweite Ausführung der Brennereinheit der vorliegenden Erfindung, wobei die Brennstoff-„Schicht" durch Verwenden von zwei Brennstoffhohlräumen in einer ersten Brennstoffebene gebildet wird, das Oxidationsmittel durch zwei Hohlräume in einer zweiten Ebene zugeführt wird und die Flammen stabilisierung durch eine zusätzliche Brennstoffeinspritzung in der zweiten Ebene geliefert wird;
6 veranschaulicht eine dritte Ausführung der Brennereinheit der vorliegenden Erfindung, wobei die Brennstoff-„Schicht" durch Verwenden von zwei Brennstoffhohlräumen in einer ersten Brennstoffebene gebildet wird, das Oxidationsmittel durch zwei Hohlräume in einer zweiten Ebene zugeführt wird und die Flamme durch einen zusätzliche Oxidationsmittelhohlraum in der ersten Brennstoffebene zwischen den Brennstoffhohlräumen stabilisiert wird;
7 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Brennereinheit der vorliegenden Erfindung;
8(a), (b) und (c) veranschaulichen Drauf-, Rück- beziehungsweise Seitenansichten einer Brennereinheit der vorliegenden Erfindung, welche Hohlräume umfasst;
9(a) und (b) veranschaulichen einen feuerfesten Block der vorliegenden Erfindung, wobei sie verschiedene Hohlräume darstellen;
10(a), (b), (c) und (d) veranschaulichen eine Brennerblockeinheit, einen Sauerstoffverteiler und einen Brennstoffverteiler der vorliegenden Erfindung;
11(a), (b), (c), (d) und (e) veranschaulichen eine andere Brennerblockeinheit, einen anderen Sauerstoffverteiler und einen anderen Brennstoffverteiler der vorliegenden Erfindung;
12(a), (b), (c) und (d) veranschaulichen eine Brennereinheit der Erfindung in Drauf-, Seiten-, Unter- und Detailansicht, wobei insbesondere das Rohrdichtungsdetail dargestellt ist;
13a ist eine perspektivische Ansicht eines feuerfesten Blocks, der für die Erfindung von Nutzen ist, wobei zwei Oxidationsmittelhohlräume, drei Brenngashohlräume und ein Brennölhohlraum veranschaulicht sind;
13b ist eine Seitenansicht des feuerfesten Blocks von 13a;
13c ist eine Seitenansicht einer alternativen Konstruktion für den feuerfesten Block von 13a;
19 ist eine Seitenansicht einer Brennereinheit ohne feuerfesten Block, welche nur Oxidations- und Brennstoffinjektoren aufweist;
15 ist eine Draufsicht eines feuerfesten Blocks, welche Hohlräume veranschaulicht;
16 ist eine Draufsicht des feuerfesten Blocks von 15, welche eine Ausführungsform mit kurzen Injektoren innerhalb der Hohlräume veranschaulicht;
17 ist eine Draufsicht des feuerfesten Blocks von 15, welche eine Ausführungsform mit langen Injektoren, die aus den Hohlräumen vorstehen, veranschaulicht;
18 ist eine Seitenansicht eines Zerstäubers für flüssigen Brennstoff, der in der Erfindung von Nutzen ist;
19a und 19b sind Schnitt- beziehungsweise Vorderseitenansichten des Zerstäubers für flüssigen Brennstoff von 18;
20a ist eine schematische Veranschaulichung eines feuerfesten Blocks und eines Hohlraums in demselben;
20b ist eine schematische Darstellung, welche eine bevorzugte Beziehung zwischen dem Verengungsdurchmesser und dem Gasausgangsdurchmesser für einen Injektor oder Hohlraum veranschaulicht; und
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 und 33 sind Vorderansichten von dreizehn Ausführungsformen des feuerfesten Blocks innerhalb der Erfindung.
I
ALLGEMEINE ASPEKTE
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden das Verbrennungsverfahren und die Vorrichtung dafür bereitgestellt, welche mit niedrigem Oxidationsmittelzuführdruck, wie beispielsweise dem Druck, der durch eine Vakuumschwenkadsorptions-Sauerstofferzeugungseinheit geliefert wird, arbeitet. Mit niedrigem Oxidationsmittelzuführdruck ist ein Druck im Bereich von 105.000 bis 170.000 Pa (absoluter Druck) (50 mbar bis 0,7 bar/relativer Druck) gemeint.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel durch getrennte Hohlräume in der Brennereinheit in den Ofen eingeführt. Der Begriff „Brennstoff" gemäß dieser Erfindung bezieht sich zum Beispiel auf Methan, Erdgas, verflüssigtes Erdgas, Propan, zerstäubtes Öl oder dergleichen (entweder in gasförmiger oder flüssiger Form) entweder bei Raumtemperatur (25°C) oder in vorgeheizter Form. Der Begriff „Oxidationsmittel" gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Gas mit einer Sauerstoffmolkonzentration von wenigstens 50%. Derartige Oxidationsmittel enthalten mit Sauerstoff angereicherte Luft, welche wenigstens 50 Vol.-% Sauerstoff, wie beispielsweise „industriell" reinen Sauerstoff (99,5%), der durch eine Tieftemperaturluftzerlegungsanlage erzeugt wird, oder nichtreinen Sauerstoff, welcher z. B. durch ein Vakuumschwenkadsorptionsverfahren (88 Vol.-% oder mehr O₂) erzeugt wird, oder „unreinen" Sauerstoff, welcher aus Luft oder irgendeiner anderen Quelle durch Filtration, Adsorption, Absorption, Membrantrennung oder dergleichen erzeugt wird, entweder bei Raumtemperatur oder in vorgeheizter Form enthält.
Die Hohlräume, wie hierin definiert, sind Durchgänge durch einen Keramikblock oder durch eine Ofenwand und weisen vorzugsweise einen im Allgemeinen. zylinderförmigen Querschnitt auf. Jeder gleichwertige Querschnitt, wie beispielsweise Quadrat, Rechteck, Ellipsoid, Oval und dergleichen, kann verwendet werden. Die Injektoren sind hierin als rohrförmige Elemente definiert, welche eine äußere Form aufweisen, die ihren jeweiligen Hohlräumen entspricht, und welche in ihren jeweiligen Hohlräumen angeordnet werden können, um die Verwendung des feuerfesten Brennerblocks zu verlängern. Die Injektoren können entweder Metallrohre, Metallrohre oder -röhren mit Keramikenden, Keramikrohre oder eine Kombination davon sein. Beispiele für geeignete Keramikmaterialien für Injektorrohre umfassen Tonerde, Zirkonerde, Yttererde, Siliciumcarbid und dergleichen. Verschiedene Edelstahle können für Injektoren verwendet werden, wenn die Injektoren metallisch sind, und Metallinjektoren mit feuerfesten Wärmeschutzbeschichtungen, welche Materialien wie jene, die für die Keramikinjektoren erwähnt wurden, einsetzen, sind ebenfalls möglich.
Injektoren werden bevorzugt, sind aber nicht unbedingt notwendig. Zum Beispiel wären keine Injektoren notwendig, wenn die Hohlräume mit einer Lage aus Keramik- oder irgendeinem anderen Material bedeckt oder beschichtet wären, welches der hohen Temperatur standhält und eine angemessene Porositätsfreiheit aufweist, um das Eindringen von Gas durch den feuerfesten Block zu vermeiden.
Die Injektoren werden in Hohlräume eingebaut, welche durch die Ofenwände oder durch einen feuerfesten oder keramischen Stein, der in der Ofenwand angebracht ist, führen. In einigen Ausführungsformen wird die Länge des Injektors absichtlich so gemacht, dass sie nicht ausreicht, um die jeweilige Länge seines Hohlraums im Brennerblock zu überspannen: der Brennstoff oder das Oxidationsmittel strömen vom Injektor in den Hohlraum und dann vom Hohlraum in die Verbrennungskammer des Ofens. Somit hört der Injektor in manchen Ausführungsformen vor irgendeiner Richtungsänderung des Gasstroms, welche durch die Geometrie des Hohlraums verursacht werden kann, auf; in anderen Ausführungsformen kann der Injektor aus dem feuerfesten Block und in die Verbrennungskammer vorstehen. In anderen Ausführungsformen können Injektoren überhaupt weggelassen werden.
Die Brennstoffeinspritzung erfolgt vorzugsweise durch wenigstens zwei, vorzugsweise identische, Hohlräume, deren Achsen vorzugsweise in derselben Ebene liegen, die im Folgenden als die erste Brennstoffebene bezeichnet wird. Die Brennstoff- und Oxidationsmittelauslässe sind physisch getrennt und geometrisch so angeordnet, dass sie den Brennstofffluidströmen und den Oxidationsmittelfluidströmen Winkel und Geschwindigkeiten verleihen, welche die Verbrennung des Brennstofffluids mit dem Oxidationsmittel in einer beständigen, breiten und leuchtenden Flamme erlauben.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen streben die Brennstoffhohlräume in einem Anfangswinkel auseinander, wobei sich dieser auseinander strebende Anfangswinkel dann genau vor dem Eintritt des Brennstoffs in die Verbrennungskammer leicht zum auseinander strebenden Endwinkel erweitert. Dieser auseinander strebende Endwinkel ist vorzugsweise nur ein paar Grade größer als der erste auseinander strebende Winkel. Ein bevorzugter Endwinkel zwischen zwei benachbarten Brennstoffhohlräumen liegt zwischen 3 und 10 Grad. Der Abstand 1 zwischen den Enden der Hohlräume, wenn der Brennstoff in die Verbrennungskammer des Ofens eintritt, entspricht vorzugsweise zwischen vier- und zehnmal dem Innendurchmesser d jedes Brennstoffinjektors in der ersten Ebene. Die erste Ebene ist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise parallel zur Schmelzoberfläche. Wenn der Brennstoffinjektor oder -hohlraum nicht kreisförmig ist, ist die Abmessung „d" ein gleichwertiger Durchmesser, welcher dem Durchgangsquerschnitt eines gleichwertigen kreisförmigen Injektors oder Hohlraums entspricht. Die Vereinigung der Brennstoffstrahlen aus den Brennstoffhohlräumen ist derart, dass sie eine Brennstoff-„Schicht" bildet. Unter Brennstoff-„Schicht" ist eine im Wesentlichen kontinuierliche Wolke von Brennstofftröpfchen (wenn flüssig) oder Brenngas in einem Winkel der ersten Ebene von höchstens 120°, vorzugsweise zwischen 20° und 60°, und vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf die Längsachse der Brennstoffhohlräume zu verstehen. Die Geschwindigkeit des Brenngases in den Hohlräumen beträgt vorzugsweise wenigstens 15 m/s.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, in welchem eine „Schicht" von Brennstofffluid über der zu erwärmenden Fläche z. B. durch wenigstens zwei Brennstoffhohlräume erzeugt wird, welche einen auseinander strebenden Endwinkel bilden, der vorzugsweise kleiner als 15 Grad ist, wobei die Brennstoffhohlräume in einer ersten Ebene angeordnet sind, und ein Oxidationsmittelfluid mit einer Geschwindigkeit, die niedriger als jene des Brennstofffluids (welche vorzugsweise 60 Meter pro Sekunde (m/s) nicht überschreitet) ist, über der zu erwärmenden Fläche vorzugsweise mit wenigstens zwei Sauerstoffhohlräumen eingespritzt wird, wobei zwei benachbarte Sauerstoffhohlräume einen auseinander strebenden Endwinkel bilden, der kleiner als 15 Grad ist. Diese Hohlräume sind vorzugsweise in einer zweiten Ebene angeordnet, welche mit der ersten Ebene in der Verbrennungskammer zusammenläuft und diese schneidet. Die Oxidationsmittelfluidstrahlen mit niedriger Geschwindigkeit, welche die Brennstoffschicht schneiden, werden durch den Brennstoffstrom die Brennstoffschicht entlang gezogen und erzeugen eine Verbrennungszone, welche sich entlang der „Schicht" ausdehnt. Demgemäß wird am Beginn der Verbrennungszone der Verbrennungskammer eine brennstoffreiche Region an der Unterseite der Brennstoffwolke aufrechterhalten, wo bedeutende Mengen von Ruß gebildet werden. Der Ruß und der Brennstoff werden dann durch das Oxidationsmittel, welches sich entlang der Verbrennungszone verbreitet, schrittweise oxidiert.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verbrennung in einer Verbrennungszone für eine Brennereinheit bereitgestellt, welche wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräume, wenigstens einen Oxidationsmittelfluidhohlraum und wenigstens eine Ausgangsseite, an welcher die Brennstofffluidhohlräume und der Oxidationsmittelfluidhohlraum enden, enthält, wobei das Verfahren erfordert;
Bereitstellen einer Zufuhr eines Oxidationsmittelfluidstroms;
Einspritzen des Oxidationsmittelfluidstroms durch den wenigstens einen Oxidationsmittelfluidhohlraum, um wenigstens einen eingespritzten Oxidationsmittelfluidstrom zu erzeugen;
Bereitstellen einer Zufuhr eines Brennstofffluidstroms;
Einspritzen des Brennstofffluidstroms durch die wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräume, um wenigstens zwei eingespritzte Brennstofffluidströme zu erzeugen;
Erzeugen einer im Wesentlichen ebenen Schicht von Brennstofffluid durch Einspritzen der wenigstens zwei eingespritzten Brennstofffluidströme in einem auseinander strebenden Winkel, wobei die wenigstens zwei eingespritzten Brennstofffluidströme im Wesentlichen in einer ersten Brennstoffebene angeordnet sind;
Schneiden des Oxidationsmittelfluidstroms mit der Schicht von Brennstofffluid in der Verbrennungszone; und
Verbrennen des Oxidationsmittelfluids mit dem Brennstofffluid in der Verbrennungszone.
Außerdem stellt die Erfindung die Stabilisierung der Flamme mit einer zusätzlichen Einspritzung von Brenn- und/oder Oxidationsgasen bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, auch über zusätzliche Brennstoffhohlräume zu verfügen, welche z. B. in einer zweiten Brennstoffebene unter der ersten Brennstoffebene und vorzugsweise parallel zur ersten Brennstoffebene oder etwas auseinander strebend davon angeordnet sind.
Die Einspritzung des Oxidationsmittelfluids erfolgt durch wenigstens zwei, vorzugsweise identische, Hohlräume, deren Achsen in derselben Ebene, nämlich einer ersten Oxidationsmittelebene, angeordnet sind. Der axiale Abstand L zwischen den Enden der Oxidationsmittelhohlräume, wo der Oxidationsmittelstrom in die Verbrennungskammer des Ofens eintritt, entspricht vorzugsweise zwischen zwei- und zehnmal dem Innendurchmesser D (oder gleichwertigen Durchmesser, wie zuvor für „d" definiert) jedes Oxidationsmittelinjektors in der zweiten Ebene. Zwei benachbarte Oxidationsmittelhohlräume bilden einen auseinander strebenden Endwinkel (in der Richtung der Strömung), der zwischen 0 und 15 Grad und vorzugsweise zwischen 0 und 7 Grad beträgt. Die Oxidationsmittelgeschwindiakeit in den Hohlräumen ist niedriger als die Brennstoffgeschwindigkeit in den Hohlräumen der ersten Oxidationsmittelebene, und sie ist vorzugsweise niedriger als 60 (m/s). In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Oxidationsmittelhohlräume so genannte Wirbler, welche den Oxidationsmittelströmen eine Wirbelbewegung verleihen sollen, um die Ausbreitung der Oxidationsmittelströme in der Verbrennungszone zu verstärken und die Vermischung des Oxidationsmittels mit der Brennstoffschicht zu verbessern. Geeignete Wirbler sind Metallflossen oder verdrehte Metallstreifen, welche in den Hohlräumen oder Injektoren angeordnet sind.
Die Gesamtmengen von Brennstoff und Oxidationsmittel, welche durch das Verbrennungssystem verwendet werden, sind derart, dass der Sauerstoffstrom im Bereich von 0,95 bis 1,05 des theoretischen stöchiometrischen Sauerstoffstroms liegt, der erforderlich ist, um die vollständige Verbrennung des Brennstoffstroms zu erlangen.
Ein anderer Ausdruck für diese Angabe ist, dass das Verbrennungsverhältnis zwischen 0,95 und 1,05 ist.
Der Winkel I zwischen der ersten Brennstoffebene und der zweiten (Oxidationsmittel) Ebene ist zwischen 0 und 20 Grad, wobei die erste Brennstoffebene und die zweite Ebene zur Verbrennungskammer zusammenlaufen. Der Abstand h zwischen der ersten Brennstoffebene und der zweiten Ebene entspricht wenigstens zweimal dem Durchmesser D in der vertikalen Ebene am Ausgang der Hohlräume, wobei die erste Brennstoffebene als im Wesentlich horizontal angesehen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Brennereinheit, welche wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräume, wenigstens einen Oxidationsmittelfluidhohlraum und wenigstens eine Ausgangsseite, an welcher die Brennstofffluidhohlräume und der Oxidationsmittelfluidhohlraum enden, umfasst und gekennzeichnet ist durch:
Mittel zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms;
Mittel zum Einspritzen des Oxidationsmittelstroms in den wenigstens einen Oxidationsmittelfluidhohlraum, um wenigstens einen eingespritzten Oxidationsmittelfluidstrom zu erzeugen;
Mittel zum Zuführen eines Brennstofffluidstroms;
Mittel zum Einspritzen des Brennstofffluidstroms in die wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräume, um wenigstens zwei eingespritzte Brennstofffluidströme zu erzeugen;
wobei die Einspritzrichtungen des Oxidationsmittelfluidstroms und des Brennstofffluidstroms im Wesentlichen zusammenlaufen, während die Richtungen von wenigstens zwei benachbarten Brennstofffluidkanälen auseinander streben.
Ein erstes feuerfestes Blockbauteil 5 einer Ausführungsform der Brennereinheit der Erfindung ist in 1 veranschaulicht, wobei es drei Brennstofffluidhohlräume 1a, 1b und 1c in einer ersten Ebene 2 und zwei Oxidationsmittelfluidhohlräume 3a und 3b in der zweiten Ebene 4 aufweist. Die erste und die zweite Ebene (2 und 4) bilden einen Winkel I. Die drei Brennstofffluidhohlräume 1a, 1b und 1c bilden einen Winkel β zwischen zwei benachbarten Brennstoffhohlräumen, welcher vorzugsweise derselbe ist. Vorzugsweise ist die Achse des mittleren Brennstoffhohlraums 1b senkrecht zu einer Ausgangsseite 10 des feuerfesten Blocks 5.
2 veranschaulicht eine Vorderansicht des Blocks 5 von 1. In 2 stellt d den Durchmesser der Brennstoffhohlräume 1a, 1b und 1c an der Ausgangsseite 10 dar; 1 stellt ihren jeweiligen axialen Trennungsabstand an der Ausgangsseite 1C dar; D stellt den Durch messer der Oxidationsmittelhohlräume 3a und 3b an der Ausgangsseite 10 dar; und L ihren jeweiligen axialen Trennungsabstand an der Ausgangsseite 10. „h" stellt den Abstand zwischen den Ebenen 2 und 4 an der Ausgangsseite 10 des Blocks 5 dar. Es ist zu erkennen, dass alle Abmessungen, welche hierin unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden, basierend auf dem konkreten Brennstoff, der verwendet wird, abgeändert werden können. Wenn zum Beispiel Brennöl verwendet wird, würde der Abstand h dazu neigen, größer zu sein, als wenn Erdgas als der Brennstoff verwendet werden würde.
3 stellt eine schematische Seitenansicht der Funktionsweise des Verbrennungssystems von 1 und 2 dar, wie es zum Beispiel in einem Glasschmelztank 12 verwendet wird, während 4 eine perspektivische Ansicht des Systems von 1 bis 3 darstellt. Eine Brennstoff-„Schicht" oder -„Wolke" wird durch Brennstofffluidströme gebildet, welche die Brennstoffhohlräume in der ersten Ebene 2 verlassen. Oxidationsmittelstrahlen 6 verlassen die Hohlräume der zweiten Ebene 9 und schneiden die Brennstoffschicht in der Verbrennungskammer 70 des Ofens. Es erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen den beiden Strömen, um eine Flamme 8 über der Schmelze 9 zu erzeugen. In den frühen Stufen des Verbrennungsprozesses ist die Region, welche sich unter der Flamme befindet, reich an Brennstoff, was die Bildung von Kohlenstoffpartikeln (Ruß) fördert und infolgedessen die Helligkeit der Flamme verstärkt. Dies ist eine der Charakteristiken der Erfindung: durch Ausbreiten der Brennstoffs in einer Ebene, Erzeugen einer ebenen Lage oder „Schicht" über die ganze Schmelze im Wesentlichen parallel zur Schmelze und Lenken des Sauerstoffs von oben in die Richtung der „Schicht", um die „Schicht" zu schneiden, erfolgt die Verbrennung dann vorzugsweise zwischen dem Oxidationsmittelfluid und dem Brennstofffluid, wo sie einander kreuzen. Vor dem Schnittpunkt der Ebenen wird der Strom geschichtet, wobei der untere Abschnitt der Flamme (welcher näher zur Schmelze ist) reich an Brennstoff ist und so auf Grund der überschüssigen Menge Brennstoff, welcher durch die Hochtemperaturflamme gespaltet wird, Ruß erzeugt. Dieser Ruß wird durch den gasförmigen Strom über den Schnittpunkt der Ebenen hinaus mitgeführt, um in der Flamme weiter nachverbrannt zu werden, welche auf diese Weise leuchtender ist.
Die Bauform, welche in 1 bis 3 veranschaulicht ist, wurde in einem Ofen im Versuchsmaßstab mit rechteckigem Querschnitt (1 m breit und 2,5 m lang) geprüft. Der Ofen wurde durch einen Sauerstoff-Ergdas-Hilfsbrenner auf bis zu 820°C (1.500°F) erhitzt. Als die Ofentemperatur hoch genug war, wurde das Verbrennungssystem angelassen, und der Hilfsbrenner wurde ausgeschaltet. Die Flamme wurde von der Seite des Ofens beobachtet, welche Sichtfenster aufwies. Wenn notwendig, wurde die Brennereinheit, welche den in 1 veranschaulichten feuerfesten Block umfasste, gedreht (z. B. um 90 Grad), um die Flamme von den Seitensichtfenstern besser überwachen zu können. Bei allen Versuchen war die erste Ebene der Erdgashohlräume parallel zu einer der Ofenwände (Seite oder Boden).
Das Verbrennungssystem, welches geprüft wurde, verwendete Erdgas mit einem Volumendurchsatz von 32 nm³/Std. (1.200 scfh) als ein Brennstofffluid und puren Sauerstoff mit einem Volumendurchsatz von 64 nm³/Std. (2.400 scfh) als das Oxidationsmittelfluid unter einem Druck von 100 mbar über dem Ofendruck. Dies stellt ein Verbrennungsverhältnis von 1 dar. Der Abstand L zwischen den Sauerstoffhohlräumen betrug 15 cm. Der Winkel zwischen den Erdgashohlräumen betrug 5 Grad. Die Anordnung erlaubte es, den Abstand h zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene von 2,5 cm bis 10 cm und den relativen Winkel der beiden Sauerstoffhohlräume von 0 bis 5 Grad zu ändern. Die Hohlräume umfassten Injektoren, welche aus keramischen Mullitrohren hergestellt waren (Edelstahlrohren wurden ferner ebenfalls geprüft). Alle Hohlräume wurden in Hohlräumen eingerichtet, welche durch feuerfestes Material (als feuerfester Block 5 bezeichnet) gebohrt wurden. Der Durchmesser der Erdgashohlräume variierte zwischen 0,925 cm und 1,58 cm (0,364 Zoll und 0,622 Zoll), so dass Brennstofffluidgeschwindigkeiten von 49 m/s, 26 m/s beziehungsweise 16 m/s erreicht wurden. Der Durchmesser der Sauerstoffhohlräume variierte zwischen 1,9 und 2,66 cm (0,75 und 1,049 Zoll), so dass Sauerstoffgeschwindigkeiten von 16 m/s, 27 m/s und 31 m/s erreicht wurden. Die CO-, O₂-, CO₂- und NO_x-Gehalte in den Verbrennungsgasen wurden ständig überwacht. Ähnliche Bedingungen bei überschüssigem Sauerstoff und Ofenundichtheiten (Lufteinbruch) wurden während aller Versuche aufrechterhalten, so dass die NO_x-Emissionen aus den verschiedenen Bauformen verglichen werden können. Die durchschnittliche Ofentemperatur betrug für alle Versuche 1.450°C. Eine Stichprobensonde wurde in einem Abstand von zwei Metern vom Block 5 ebenfalls in den Ofen eingeführt, um die örtliche CO-Konzentration in der Flamme zu messen. Niedrige gemessene CO-Konzentrationen an der Stichprobensonde weisen auf kurze Flammen hin. Ein anderer Hinweis auf kurze Flammen für diesen konkreten Ofen ist die Beobachtung von Verbrennungsgasen mit verhältnismäßig niedriger Temperatur bei denselben stöchiometrischen Bedingungen.
Im Versuchsofen wurde auch ein Sauerstoff-Ergas-Brenner der Nachmischart mit einer allgemeinen „Rohr-in-Rohr"-Konstruktion geprüft: Einblasung von Erdgas, welches durch einen ringförmigen Sauerstoffstrom umgeben war. Dieser Brenner wurde als Referenz verwendet. Der Brenner wurde an der Ofenwand befestigt und erzeugte 500 ppm NO_x in den Verbrennungsgasen.
Für das System gemäß der Erfindung wurde, wenn der Abstand h gleich 2,5 cm und der Winkel zwischen den beiden Ebenen gleich 0 Grad war, eine beständige Flamme erzeugt, die vom Brennerblock getrennt war. Es gab Anzeichen sehr guten Vermischens der Brennstoff- mit den Sauerstoffstrahlen. Die Flammenlänge war kurz (1,5 m), insbesondere wenn die Geschwindigkeit des Brennstoffs zwei- oder viermal der Geschwindigkeit des Sauerstoffs entsprach. Die NO_x-Konzentration betrug 900 ppm. Die Flamme erschien etwas breiter als die Vergleichsflamme.
Wenn der Abstand h vergrößert wurde (bei Aufrechterhalten von α = 0°), wurde die Vermischung des Erdgases mit dem Sauerstoff verzögert, und es bildete sich etwas Ruß in der Flamme. Bei h = 8 cm erschien die Flamme sehr voluminös und sehr lang. Große Mengen Ruß wurden auf der wassergekühlten Stichprobensonde 2 Meter vom Brennerblock, in welchem der Brenner eingebaut ist, beobachtet. Die Flamme war sichtbar, aber ihre Grenzen waren schwer zu definieren, da die Flamme unbeständig war. Der Ofendruck wies infolge dieser Unbeständigkeit bedeutende Druckschwankungen auf. Die NO_x-Emissionen sanken drastisch auf 60 ppm. Obwohl die Qualität der Verbrennung verhältnismäßig schlecht zu sein schien, blieb kein CO in den Verbrennungsgasen zurück.
Bei h = 8 cm wurde eine Verbesserung der Flammenbeständigkeit erlangt, wenn der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Ebene auf 5°, 10° und 20° vergrößert wurde. Der Winkel I = 20° ergab die beste Beständigkeit. Eine Vergrößerung über 20° hinaus reduzierte die Menge Ruß, der sich bildete, und die Helligkeit der Flammen nicht wesentlich und reduzierte die Flammenbreite gar nicht, erhöhte aber die NO_x-Konzentration in den Verbrennungsgasen und reduzierte die Flammenlänge. Außerdem änderte der Aufprall der Sauerstoffstrahlen auf der Brennstoffschicht in einem Winkel von 20° die Form der „Schicht" selbst bei reduzierter Sauerstoffgeschwindigkeit und lenkte sie zur Wand parallel zur ersten Ebene ab, was sich als nicht wünschenswert herausstellte. Die Flamme konnte für einen Winkel zwischen 5° und 15° als beständig oder sehr beständig (für h = 8 cm) angesehen werden.
Bei einer bestimmten Bauform verbesserte die Erhöhung des Verhältnisses Erdgasgeschwindigkeit zu Sauerstoffgeschwindigkeit die Flammenbeständigkeit. zum Beispiel ist die Bauform, bei welcher I = 10° und h = 8 cm, beständig, wenn die Brennstoffgeschwindigkeit 70 m/s und die Sauerstoffgeschwindigkeit 16 m/s beträgt. Der Effekt der Beständigkeit ist jedoch der Länge und der Helligkeit der Flamme abträglich. Die höhere Erdgasgeschwindigkeit wurde durch Schließen des Erdgasinjektors erlangt, welcher in der Mitte der ersten Ebene angeordnet ist, so dass das gesamte Erdgas durch die beiden äußeren Erdgashohlräume strömte.
Unerwarteterweise stellte sich heraus, dass die Flammenbeständigkeit wesentlich verbessert werden konnte, ohne die Helligkeit und die Länge der Flamme zu beeinträchtigen, wenn ein Erdgasinjektor zwischen den beiden Sauerstoffhohlräumen der zweiten Ebene angeordnet wird, wie in 5 angezeigt, und vorzugsweise, wenn einer der Erdgasinjektoren 21 in der ersten Ebene 2 in die zweite Ebene 4 oder nahe dazu in einem im Wesentlichen gleichen Abstand von jedem Sauerstoffinjektor 23, 24 verlegt wird. Die beiden anderen Brennstoffhohlräume 20, 22 bleiben in derselben Position. Insbesondere wird, wenn drei Gashohlräume 20, 21, 22 und zwei Sauerstoffhohlräume 23, 24 vorgesehen sind, bevorzugt, über zwei Erdgashohlräume 20, 22 in der ersten Ebene 2, zwei Sauerstoffhohlräume 23, 24 in der zweiten Ebene 4 und einen dritten Erdgasinjektor 21, der vorzugsweise in einem im Wesentlichen gleichen Abstand von den Brennstoffhohlräumen nahe zur oder in der zweiten Ebene 4 angeordnet ist, zu verfügen, wobei der Abstand vorzugsweise kleiner als oder vorzugsweise höchstens gleich im Abstand von den beiden Sauerstoffhohlräumen ist. Ungefähr ein Drittel des Erdgasstroms kann von der ersten Ebene 2 umgeleitet werden, um die Flammenbeständigkeit zu verbessern. Eine stabilisierende Verbrennungszone wird zwischen der ersten Brennstoffebene 2 und der zweiten (Oxidationsmittel) Ebene 4 erzeugt, welche die Verbrennung über der Hauptbrennstoffschicht einleitet. Eine bevorzugte Position für den stabilisierenden zusätzlichen Erdgasstrahl ist die mittlere Ebene zwischen den Sauerstoffhohlräumen.
Bei Bedingungen, bei welchen die Erdgasgeschwindigkeit 44 m/s betrug, die Sauerstoffgeschwindigkeit 16 m/s betrug, der Abstand h 8 cm betrug und der Winkel I 10° betrug, wurden niedrigere NO_x-Emissionen (63 ppm) festgestellt, wenn der zusätzliche Erdgasinjektor genau zwischen den Sauerstoffhohlräumen angeordnet wurde, als wenn der zusätzliche Erdgasinjektor näher zu dem einen oder dem anderen Sauerstoffhohlraum angeordnet wurde (74 ppm). In beiden Fällen waren die NO_x-Emissionen jedoch gering.
Das Abändern des Winkels I kann vorteilhafterweise verwendet werden, um die Wärmeübertragung auf die Wände zur ersten Ebene zu erhöhen.
Es hat sich herausgestellt, dass sich bei Vergrößern des Winkels I von 0° auf 10° der Temperaturunterschied zwischen der Wand, welche nahe der ersten Ebene 2 angeordnet ist, und der gegenüberliegenden Wand von 0°C auf 27°C erhöht. Bei I = 20° betrug der Temperaturunterschied 32°C.
Ein Verbrennungssystem gemäß der Erfindung kann somit verwendet werden, um die Wärmeübertragung zur Ladung zu erhöhen und die Ofenkronentemperatur zu reduzieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine gleichwertige Verbesserung der Flammenbeständigkeit erlangt werden, wenn ein zusätzlicher Sauerstoffinjektor 25 in der ersten Ebene 2 der Brennstoffhohl räume 20, 22 eingebaut wird, wie zum Beispiel in 6 dargestellt. (Es gelten dieselben relativen Positionen dieses Sauerstoffinjektors und der Gashohlräume wie in 5 offenbart.) Bei dieser Bauform sind zwei Sauerstoffhohlräume 23, 24 in der zweiten Ebene 4 und zwei Brennstoffhohlräume 20, 22 und ein Sauerstoffinjektor 25 in der ersten Brennstoffebene 2 vorhanden.
Wie aus der zuvor erfolgten Beschreibung der Funktionsweise des Verbrennungssystems zu erkennen ist, kann die Flammenlänge durch Ändern des Winkels I zwischen der zweiten Ebene 4 der Sauerstoffhohlräume und der ersten Brennstoffebene 2 der Brennstoffhohlräure geändert werden. Die Flammenbeständigkeit wird durch eine zusätzliche Einspritzung von Brennstoff in der Nähe der Sauerstoffhohlräume oder eine zusätzliche Einspritzung von Sauerstoff in der Nähe der Brennstoffhohlräume über den Bereich der Flammenlängeneinstellung verbessert und aufrechterhalten. Das Ändern des Winkels zwischen den beiden Flammen kann auch verwendet werden, um die Wärmeübertragung auf die Ladung des Ofens zu erhöhen und somit die Wirksamkeit der Brennstoff, der verbrannt wird, zu verbessern. Im Fall von Glasöfen kann zusätzliche Wärmeübertragung in einigen Bereichen von Öfen von Nutzen sein, um die Konvektionskreisläufe des geschmolzenen Glases zu verbessern und/oder die Verweilzeit des geschmolzenen Glases im Ofen zu verlängern, wodurch die Glasqualität verbessert wird.
Die Verbrennungssysteme der vorliegenden Erfindung sind dazu bestimmt, um zum Beispiel dazu verwendet zu werden, Luft-Brennstoff-Verbrennungssysteme in bereits bestehenden Öfen zu ersetzen, und/oder um als die Hauptenergiequelle in neuen Öfen verwendet zu werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brenner bereitgestellt, welcher Oxidationsmittelausgänge aufweist, die zu den Seiten leicht abgewinkelt sind und an ihren Enden (d. h. an der Ausgangsseite 10) im Allgemeinen profiliert, vorzugsweise abgerundet, sind. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass die abgewinkelten Ausgänge es ermöglichen, dass der Sauerstoffstrom und somit die Flamme breiter sind, und verhindern, dass Brennstoff unverbrannt austritt. Außerdem verursachen die abgerundeten Enden weniger Turbulenz und ermöglichen deshalb eine bessere Steuerung der Flammenform.
Tatsächlich ist das Erlangen einer bestimmten Flammenform äußerst wichtig, und es ist sehr vorteilhaft, die Flammenform auf die Kundenbedürfnisse einzustellen zu können.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf 7 bis 12 näher beschrieben.
Die Hauptbestandteile einer bevorzugten Brennereinheit, die in 7 abgebildet ist, sind: 1) ein feuerfester Block 5; 2) eine Befestigungsklammereinheit 72; 3) ein Brennstoffverteiler 74, welcher an der Unterseite der Befestigungsklammereinheit angeordnet ist, und 4) ein Oxidationsmittelverteiler 76, welcher an der Oberseite der Befestigungsklammereinheit angeordnet ist. Der Brennstoff wird durch einen Einlass 78 zugeführt. Das Oxidationsmittel wird der Brennereinheit durch einen Einlass 80 zugeführt.
In 8a (Draufsicht), 8b (Endansicht) und 8c (Seitenansicht) sind die Brennstoff- und Oxidationsmittelhohlräume gerade Löcher durch den feuerfesten Block 5. Der Gasausgang jedes Oxidationsmittelhohlraums und jedes Brennstoffhohlraums weist an der Gasausgangsseite 10 im Gegensatz zu geraden Kanten abgerundete Kanten auf. Die abgerundeten Kanten reduzieren den Geschwindigkeitsgradienten zwischen den Gasströmen, welche vom Block und der umgebenden Atmosphäre ausgestoßen werden, was verhindert, dass sich Partikeln oder flüchtige Spezies, welche in der Atmosphäre enthalten sind, um die Auslässe der Hohlräume aufbauen, was wiederum die Geometrie der Hohlräume verändern würde. Dies ist im Fall der Erdgashohlräume besonders wichtig, da der Aufbauprozess durch thermisches Kracken des Erdgases und die Bildung von Koksablagerungen an den Erdgasausgängen von den feuerfesten Blöcken verschlimmert werden kann, was die Strömungsrichtung im Ofen verändern kann.
Die unteren Hohlräume, welche für den Brennstoff verwendet werden, bilden einen auseinander strebenden Winkel β, um den Brenngasstrom in einem Schichtmuster zu verteilen. Ein Winkel β von 5 Grad ist in 8(a) dargestellt. Aus den Ergebnissen numerischer Simulationen ließ sich feststellen, dass die Flammenbreite durch Vergrößern des Winkels der Erdgashohlräume vergrößert werden konnte. Zum Beispiel erzeugt β = 7, 5 Grad eine breitere Flamme im Vergleich zu β = 5 Grad, ohne die Flammenlänge wesentlich zu verkürzen.
Der feuerfeste Block 5, welcher in 9a (Seitenansicht) und 9b (Draufsicht) veranschaulicht ist, weist fünf Hohlräume auf: drei Hohlräume an der Unterseite zur Einspritzung von Brennstoff in den Ofen und zwei Hohlräume an der Oberseite zur Oxidationsmitteleinspritzung. Der feuerfeste Block 5, welcher in 9a und 9b abgebildet ist, ist vorzugsweise ein einzelnes Stück aus feuerfestem Material mit mehreren Hohlräumen oder Durchgangslöchern, wie beispielsweise den Hohlräume 91 und 92 für Oxidationsmittel und den Hohlräumen 94, 96 und 98 für Brennstoff, dadurch. Es ist zu erwähnen, dass die Oxidationsmittelhohlräume 91 und 92 in der Ausführungsform, welche in 9a und 9b veranschaulicht ist, zwar anfänglich parallel zueinander und zu den Brennstoffhohlräumen (siehe Abschnitte 91a und 92a) verlaufen, sich aber dann in einem Winkel von 2θ voneinander weg und in einem Winkel μ zu den Brennstoffhohlräumen hin abwinkeln. Es ist auch zu erwähnen, dass sich die Brennstoffhohlräume 99 und 98 (die beiden auf jeder Seite des Blocks 5) in einem Winkel, vorzugsweise ebenfalls θ, vom mittleren Brennstoffhohlraum 96 weg abwinkeln. Diese Konstruktion ermöglicht die Fähigkeit, die Ausgänge der Brennstoffhohlräume näher zueinander zu positionieren als in der Ausführungsform, welche in 8 veranschaulicht ist. Näher zusammen liegende Brennstoffausgänge könnten von Nutzen sein, wenn der Brennstoff Brennöl ist.
Geeignete Materialien für den feuerfesten Block sind geschmolzene Zirkonerde (ZrO₂), schmelzgegossene AZS (Tonerde-Zirkonerde-Kieselerde), wiedergebondete AZS und schmelzgegossene Tonerde (Al₂O₃). Die Wahl eines bestimmten Materials wird unteren anderen Parametern durch die Art von Glas diktiert, welche im Glastank geschmolzen wird.
Gerade Hohlräume, wie in 8 dargestellt, sind leicht zu reinigen, falls irgendwelche Materialien die Gasauslässe blockieren sollten. Es genügt jedoch, die letzten paar Zentimeter der Hohlräume nach außen abzuwinkeln, um den Brenngasströmen einen auseinander strebenden Winkel zu verleihen. Eine derartige Hohlraumkonstruktion ist im Falle der Oxidationsmittelhohlräume in 10a (Draufsicht, welche nur Oxidationsmittelhohlräume veranschaulicht), 10b (Draufsicht, welche Brennstoff- und Oxidationsmittelhohlräume veranschaulicht), 10c (Rückseitenansicht) und 10d (Seitenansicht) veranschaulicht. Jeder der Oxidationsmittelhohlräume 91 und 92 umfasst zwei gerade, anfänglich parallele Strömungswege 91a und 92a, welche in der Nähe des Ausgangs einen kleinen Winkel nach außen bilden (Strömungswege). Der Zweck des kleinen Winkels ist, den Oxidationsmittelstrom auf eine ähnliche Weise wie die Brenngasstrahlen nach außen zu leiten. In Labor- und Feldversuchen erwies sich, dass das Abwinkeln nach außen der Oxidationsmittelhohlräume (in den Versuchen wurde Sauerstoff verwendet) der Flamme mehr Beständig keit verleiht und für den Brennerbetrieb durch Vergrößern der Flammenbreite, ohne die Flammenlänge wesentlich zu verkürzen, vorteilhaft ist. Eine bevorzugte Bauform ist, wenn der Winkel zwischen den beiden Oxidationsmittelhohlräumen an ihren Ausgängen gleich dem Winkel zwischen den beiden Seitenbrenngashohlräumen ist.
Die Ausführungsform, welche in 11a bis 11e veranschaulicht ist, ähnelt der Ausführungsform, welche in 11e veranschaulicht ist, mit der Ausnahme, dass 11e veranschaulicht, dass die beiden Seitenbrennstoffinjektoren in der Nähe ihrer Ausgänge einen kleinen Winkel nach außen bilden; somit weichen sowohl die beiden Oxidationsmittelhohlräume 91b und 92b in der Nähe der Ausgangsseite 10 als auch die beiden Seitenbrennstoffinjektoren 99b und 98b nach außen ab.
Aus 8, 10 und 11 ist ersichtlich, dass die Sauerstoffhohlräume vorzugsweise nach unten zu den Erdgashohlräumen abgewinkelt sind. Der Winkel, der in den Zeichnungen dargestellt ist, beträgt 10 Grad. Unter gewissen Bedingungen kann ein kleinerer Winkel (wie beispielsweise 7,5 Grad) verwendet werden. Wieder genügt es, die letzten paar Zoll der Hohlräume nach außen abzuwinkeln, um einen auseinander strebenden Winkel zwischen den Sauerstoffstrahlen und den Erdgasstrahlen zu erteilen.
Die Brennereinheit, welche in 12 veranschaulicht ist, umfasst eine Befestigungsklanuner, die aus zwei Teilen hergestellt ist, welche auf jedem der oberen und unteren Abschnitte des feuerfesten Blocks 5 positioniert sind und durch Schrauben 32, die in Platte P geschraubt sind, zusammengeschraubt sind. Die Befestigungsklammereinheit gleitet in vertikalen Nuten G₁ und G₂ im feuerfesten Block und ist somit gut am Block verankert, sobald die Schrauben 60 und 61 an ihrem Platz sind.
Ein Oxidationsmittelverteiler 30 von 12 ist mit den Schrauben 32 und der Platte 34 direkt auf der Befestigungsklammereinheit angebracht. Die Dichtheit zwischen dem Verteiler und dem Block ist. durch eine Dichtung 36 sichergestellt. Der Verteiler umfasst eine Platte 38, auf welcher die Oxidationsmittelinjektoren 40 und 91 angeschweißt sind. Wenn auf dem Brenner angebracht, dringen die Oxidationsmittelinjektoren in Hohlräume im Brennerblock 5 ein und hören 10 cm (4 Zoll) von der Ausgangsseite 10 des Blocks entfernt vor jeglicher Änderung der Strömungsrichtung, welche durch die Geometrie der Oxidationsmittelhohlräume erteilt werden kann, auf.
Ein Brenngasverteiler 50 ist mit Schnellverbindungsklemmen 53a und 53b auf einer Platte 52 angebracht. Die Platte 52 ist durch die Schrauben 54a und 59b auf der Befestigungsklammer befestigt. Die Dichtheit zwischen der Platte 52 und dem feuerfesten Block 5 ist durch eine Dichtung 56 sichergestellt. Drei Gasinjektoren 58a, 58b und 58c dringen in den feuerfesten Block 5 ein und hören 10 cm (4 Zoll) von der Ausgangsseite 10 des Blocks 5 entfernt vor jeder Änderung der Strömungsrichtung, welche durch die Geometrie der Brenngashohlräume erteilt werden kann, auf. Die Einlassköpfe der Brenngasinjektoren sind zwischen dem Injektor 60 und der Platte 52 eingeschlossen. Die Dichtheit des Brenngasinjektors ist durch O-Ringe 62 und 64, welche auf dem Einlasskopf der Brenngasinjektoren positioniert sind, sichergestellt. Das Rohrdichtungsdetail in 12(d) ist besonders zu erwähnen.
13a ist eine perspektivische Ansicht eines für die Erfindung nützlichen feuerfesten Blocks 5, welche die Ausgänge von zwei Oxidationshohlräumen 91a und 91b, die Ausgänge von drei Brenngashohlräumen 94a, 94b und 99c und den Ausgang eines Hohlraums 95 für flüssigen Brennstoff veranschaulicht. 13b ist eine Endseitenan sicht des Gasausgangs des feuerfesten Blocks von 13b, welche die Abstände d₁ und d₂ veranschaulicht, wobei d₂ der Abstand zwischen einer Ebene, welche die axiale Mitte der beiden Oxidationsmittelhohlräume 91 (zweite Ebene) enthält, und dem Hohlraum 95 für flüssigen Brennstoff ist, und d₁ ist der Abstand zwischen der zweiten Ebene und einer Ebene, welche die drei Brenngashohlräume 94 enthält. (Es ist zu erwähnen, dass d₁ derselbe Abstand ist wie h in 2.) 13c ist eine Endseitenansicht des Gasausgangs einer alternativen Konstruktion für den feuerfesten Block von 13a, welche eine Ausführungsform veranschaulicht, bei der es tatsächlich keine Ausgänge für gasförmigen Brennstoff gibt und nur ein Ausgang 97 für flüssigen Brennstoff vorhanden ist (die beiden Oxidationsmittelausgänge sind dieselben wie in 13a).
Es stellte sich heraus, dass zwischen der Leistung des erfinderischen Brenners und den Abständen d₁ = h, d₂, d, D, L und 21, wie in 2, 13b und 22 abgebildet, eine Beziehung besteht. Wenn der Abstand zwischen den Sauerstoff- und Erdgasausgängen vom Brenner durch d₁ definieret ist, dann gilt d1 = A(P/1000)1/2 wobei P die Brennerleistung in Kilowatt (kW) ist, und 500 mm < A < 150 mm. Der bevorzugte Wert für A ist 110 mm. Wenn d₂ als der Abstand von der Ebene, welche die Brenngasausgänge enthält, zu der parallelen Ebene, welche den Ausgang für flüssigen Brennstoff enthält, definiert ist, dann gilt d2 = d1pFO/pNG[(IFO + IAIR)/ING](10–3)wobei:
I_FO = die Bewegungsgröße des flüssigen Brennstoffs im Hohlraum oder im Injektor,
I_AIR = die Bewegungsgröße der Zerstäubungsluft im Injektor oder im Hohlraum,
I_NG = die Bewegungsgröße des gasförmigen Brennstoffs,
p_FO = die relative Dichte des flüssigen Brennstoffs und
P_NG = die relative Dichte des gasförmigen Brennstoffs ist.
Für den bevorzugten Wert von A und für die folgenden Werte der Bewegungsgrößen:
I_FO = 0,06 N,
I_AIR = 1,79 N,
I_NG = 1,56 N,
p_FO = 0,9 kg/dm³,
p_NG = 0,74 kg/m³
sind die Abmessungswerte, welche in Tabelle 1 aufgelistet sind, verfügbar.
Tabelle 1. Brennerleistung
14 ist eine Seitenansicht einer Brennereinheit gemäß einer anderen Ausführungsform der Brennereinheit der vorliegenden Erfindung ohne feuerfesten Block, welche nur Oxidationsmittelinjektoren 102 und Brennstoffinjektoren 104 aufweist, die durch eine Wand 100 eines Ofens oder Glasschmelztanks eingeführt und daran befestigt sind. Die Oxidationsmittelinjektoren sind so veranschaulicht, dass sie gerade und ohne Winkeländerung verlaufen, wobei die Injektoren aber natürlich anfänglich parallel zu den Brennstoffinjektoren verlaufen und dann die Richtung ändern können, so dass sich der Brennstoff und das Oxidationsmittel in der Verbrennungskammer mischen. Diese Ausführungsform kann auch verwendet werden, wenn der Brennstoff ein flüssiger Brennstoff ist. Diese Anordnung, sowie auch die Ausführungsform, welche in 17 veranschaulicht ist, können insofern von Nutzen sein, als der Brennstoff und das Oxidationsmittel durch verbrannten Brennstoff in der Verbrennungskammer vorgeheizt werden können, was zur Wirksamkeit der Brennstoffverbrennung beiträgt.
15 ist eine Draufsicht eines feuerfesten Blocks, welche Hohlräume (Oxidationsmittel und Brennstoff) 91a und 91b veranschaulicht; 16 ist eine Draufsicht des feuerfesten Blocks von 15, welche eine Ausführungsform mit kurzen Injektoren 102a und 102b innerhalb der Hohlräume veranschaulicht, und 17 ist eine Draufsicht des feuerfesten Blocks von 15, welche eine Ausführungsform mit langen Injektoren 102a und 102b veranschaulicht, die außerhalb der Hohlräume vorstehen.
II
GENAUE ANGABEN ZUR ZERSTÄUBUNG FLÜSSIGEN BRENNSTOFFS
18 ist eine Schnittansicht eines Zerstäubers 200 für flüssigen Brennstoff, welcher in der Erfindung von Nutzen ist.
Wie bereits im Abschnitt über den allgemeinen Stand der Technik erwähnt, fällt der vorliegende Aspekt der Erfindung in den Rahmen der dritten Art der Zerstäubung von flüssigem Brennstoff; er beschreibt ein komplettes Gerät, welches die Steuerung der Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs ermöglicht, wobei ein gasförmiges Fluid und die Anwendung dieses Geräts in einem Brenner, wie beispielsweise den hierin beschriebenen Brennereinheiten der Erfindung, verwendet werden.
Obwohl die Geometrie für die Fluideinführung in der vorliegenden Erfindung ähnlich zu sein scheint, ist die Fluideinführung in die Verbrennungszone ein Zweiphasengemisch aus Zerstäubungsgas und Tröpfchen flüssigen Brennstoffs. Außerdem beruhen die spezifischen Charakteristiken der Erfindung auf der Tatsache, dass die Zerstäubung außerhalb der Düse (externe Zerstäubung) stattfindet und dennoch erlaubt, verschiedene Sprühstrahlen mit großen relativen Winkeln (5° bis 30°) zu bilden.
Die Grundeinschränkung bei einem Zerstäuber für flüssigen Brennstoff, welcher in Verbrennungszonen mit hohen Temperaturen (welche von 1.400°C bis 1.700°C variieren) arbeitet, ist seine Haltbarkeit. Außerdem ist die Flamme, welche am Auslass dieses Injektors erzeugt wird, eine Sauerstoffflamme, welche bei einer noch höheren Temperatur (> 2.200°C) liegt. Diese hohen Temperaturen dürfen auf keinen Fall zu einer Beschädigung der Bauteile, welche dieses Gerät bilden, führen. Dieses Gerät muss imstande sein, unter diesen Bedingungen und bei einer Prüfungshäufigkeit in der Ordnung von Monaten ununterbrochen zu funktionieren.
Der erfinderische Zerstäuber für flüssigen Brennstoff ist imstande, die Erzeugung einer einzelnen breiten Flamme, einer einzelnen langen Flamme oder mehreren kurzen Flammen gleichzeitig zu gewährleisten.
Der Zerstäubungsgrundsatz, der im Zerstäuber der vorliegenden Erfindung angewendet wird, ist die externe Zerstäubung. Diese Wahl wurde im Wesentlichen durch die Einschränkungen der Wärmebeständigkeit und Instandhaltung des Injektors bei Verwendung in einem Brenner der dritten Generation (selbstkühlender Brenner mit getrennter Einspritzung) aufgezwungen. Tatsächlich sind die Temperaturniveaus, welche durch die Brennstoffinjektoren in Brennern dieser Art potenziell erreicht werden, sehr viel höher als jene, welche bei Brennern der ersten und zweiten Generation anzutreffen, sind.
Diese Temperaturniveaus erlauben daher keinen direkten Kontakt zwischen dem Brennstoffsprühregen und Hochtemperaturmetallteilen. Dieser Kontakt würde unvermeidlich zur Koksbildung am Mundstück des Injektors und schnell zur Verstopfung des Mundstücks führen.
Die externe Zerstäubung ist die einzige Zerstäubungsart, welche imstande ist, diese Schwierigkeit zu umgehen und dadurch eine Häufigkeit der Wartung des Injektors in der Ordnung von einem Monat zu gewährleisten. Tatsächlich ist diese Zerstäubung durch die Bildung des Sprühregens außerhalb des Injektors gekennzeichnet, wodurch jeglicher Kontakt zwischen dem Sprühregen und Metallteilen ausgeschlossen wird.
Wie aus der Beschreibung des Geräts hervorgeht, wird der flüssige Brennstoff außerdem ständig durch das Zerstäubungsfluid „umhüllt", das vorzugsweise erwärmt wird und den Wärmestrom, der zum Injektor übertragen wird, abzieht. Indem es die Rolle eines Wärmeübertragungsfluids zur Abkühlung spielt, schützt das Zerstäubungsfluid den flüssigen Brennstoff somit vor jeglicher übermäßigen Erwärmung, welche die Anfänge von Koksbildung hervorrufen könnte.
A. Beschreibung des Flüssigkeitszerstäubungsgeräts der Erfindung (18)
Das Zerstäubungsgerät der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch:
einen Injektor für flüssigen Brennstoff und
eine äußere Düse, welche den Injektor vollständig umgibt.
Um die Reinigung des Zerstäubungsgeräts zu erleichtern, besteht diese äußere Düse aus zwei symmetrischen Kappen, die, wenn sie Seite an Seite positioniert werden, den Injektor für flüssigen Brennstoff vollständig umschließen und die äußere Düse bilden.
Es wird nun auf 18 und 19 Bezug genommen. In 18 besteht der Injektor 200 für flüssigen Brennstoff aus einem hohlen Zylinder mit einem Innendurchmesser D_OI und einem Außendurchmesser D_OE, welcher mit einer bestimmten Anzahl von hohlen Elementarleitungen C₁, C₂ und C₃ endet. Flüssiger Brennstoff wird in den Zylinder mit dem Durchmesser D_OI und dann in den Innenraum aller Hohlleitungen gefördert, um außerhalb des Injektors für flüssigen Brennstoff (Verbrennungskammerseite) hervorzutreten. Die Anzahl von Elementarleitungen kann von 2 bis 5 (normalerweise 2 oder 3) reichen. Die Achsen aller Elementarleitungen liegen in derselben Ebene („Sprühebene"); diese Ebene enthält die Achse des Hohlzylinders (D_OI; D_OE).
In 18 und der begleitenden Erörterung beziehen sich die Symbole, welche den Buchstaben „i" in der gehobener Position tragen, auf den „Elementarzerstäuber i", wobei i in Abhängigkeit von der Anzahl der Elementarinjektoren, mit welchen das Zerstäubungsgerät ausgestattet ist, gleich 1, 2, 3, 4 oder 5 sein kann.
Jede Hohlleitung weist einen Innendurchmesser Dⁱ ₁ (in den der flüssige Brennstoff fließt) und einen Außen-„Durchmesser" Dⁱ ₂ auf. Die äußere Form der Leitung muss nicht unbedingt zylindrisch sein: sie kann parallelflachförmig mit Vierkantquerschnitt sein. In solch einem Fall ist Dⁱ ₂ die Seite des Vierkants, die Seite, welche parallel zur „Sprühebene" ist.
Jede dieser Leitungen weist einen Neigungswinkel αⁱ ₁ in Bezug auf die Achse des Zylinders (D_OI; D_OE) auf; dieser Winkel liegt in der „Sprühebene".
Die Länge jeder Leitung (Abstand zwischen dem Zylinder (D_OI, D_OE) und dem Ende der Leitung) ist L¹ ₁.
B. Beschreibung der äußeren Düse (19a und 19b)
Die äußere Düse wird durch einen Hohlzylinder (Innendurchmesser D_FI und Außendurchmesser D_FE) gebildet, welcher durch ein Profilteil erweitert ist. Das Innere des Profilteils der Düse ist von Kanälen durchdrungen, welche in den Zylinder mit dem Durchmesser D_FI übergehen. Die Anzahl von Kanälen ist gleich der Anzahl von Elementarleitungen, welche im Injektor für flüssigen Brennstoff vorhanden sind. Alle Achsen dieser Kanäle liegen in der „Sprühebene", die auch die Achse des Zylinders (D_OI; D_OE) enthält.
Die Kanäle weisen eine Länge Lⁱ ₂ und einen Durchmesser Dⁱ ₃ auf. Die Form der Kanäle ist dieselbe wie jene der Elementarleitungen des Brennstoffinjektors; sie kann zylindrisch oder parallelflachförmig mit Vierkantquerschnitt sein (wobei Dⁱ ₃ im ersten Fall der Durchmesser des Zylinders ist, und Dⁱ ₃ im letzteren Fall die Länge der Seite des Vierkants, der Seite, welche parallel zur „Sprühebene" liegt, ist).
Jeder dieser Kanäle weist einen Neigungswinkel Iⁱ2 in Bezug auf die Achse des Hohlzylinders (D_FI; D_FE) auf; dieser Winkel liegt in der „Sprühebene".
Die Achse des Hohlzylinders (D_OI, D_OE) stimmt mit der Achse des Hohlzylinders (D_FI; D_FE) überein.
Das Zerstäubungsfluid wird in das Innere der äußeren Düse und um den Injektor für flüssigen Brennstoff gefördert.
C. Einzelheiten eines „Elementarzerstäubers" (18)
Ein Elementarzerstäuber besteht aus:

– einer Hohlleitung, in welcher der flüssige Brennstoff fließt. Die Außenseite dieser Leitung kann zylinderförmig oder parallelflachförmig mit Vierkantquerschnitt sein; die innere Geometrie der Leitung ist. zylinderförmig.
– einem maschinell herausgearbeiteten Kanal, in welchem die Hohlleitung angeordnet ist. Die Geometrie dieses Kanals ist dieselbe wie die äußere Geometrie der Hohlleitung. Das Zerstäubungsfluid zirkuliert im Kanal um die Hohlleitung.

Um externe Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs durch das Zerstäubungsfluid bereitzustellen, erfüllen alle Elementarzerstäuber, welche das Zerstäubungsgerät der Erfindung bilden, genaue technischen Kriterien.
Für jeden Elementarzerstäuber i, wobei i gemäß der Anzahl der Elementarinjektoren, welche das Zerstäubungsgerät der Erfindung aufweist, gleich 1, 2, 3, 4, oder 5 sein kann, gilt Folgendes:

1. Zur Vermeidung jeglicher Verstopfung der Hohlleitung, in welcher der flüssige Brennstoff fließt: Di 1 ≥ 0,5 mm und normalerweise Di 1 = 2 mm.
2. Die Dicke der Hohlleitung muss so gering als möglich sein, um bei Austreten des Strahls von flüssigem Brennstoff aus der Leitung unverzügliches Scheren desselben durch das Zerstäubungsfluid, welches entlang seiner Peripherie strömt, zu erlauben: je geringer die Dicke des Material, welches den Brennstoff vom Zerstäubungsfluid trennt, ist, umso schneller werden die beiden Fluide in Kontakt gebracht und umso wirksamer ist somit die Scherung zwischen den beiden Strahlen. Außerdem begünstigt eine Reduktion der Dicke der Leitung auch die Bildung eines Sprühregens mit einem flachen Raumwinkel.
3. Schließlich dient eine Verringerung der Dicke auch der Verringerung der Menge von Material, welches der Wärmestrahlung aus der Verbrennungskammer ausgesetzt ist: je geringer die Dicke der Leitung ist, umso mehr wird die Menge von Wärme, welche durch die Leitung aufgenommen wird, begrenzt. Die Temperatur der Leitung wird folglich gesenkt.

Andererseits muss diese Dicke ausreichen, um mechanische Beständigkeit gegen die Erschütterungen bereitzustellen, welche während der Betätigung des Zerstäubungsgeräts auftreten. Di 2 – Di 1 ≤ 6 mm und normalerweise und vorzugsweise Di 2 – Di 1 = 1 mm.
Der Raum zwischen der Außenseite der Hohlleitung und der Innenseite des Kanals („die Flamme") muss auf eine derartige Weise proportioniert sein, das die Geschwin digkeit des Zerstäubungsfluids (V_{Zerstäubungsfluid}) der Beziehung Machzahl 0,3 ≤ VZerstäubungsfluid ≤ Machzahl 1,2Folge leistet. Demgemäß gilt in Abhängigkeit von den Fördermengen des zu zerstäubenden Brennstoffs Folgendes: 0,2 mm ≤ (Di 3 – Di 2) ≤ 6 mm und normalerweise (Di 3 – Di 2) = 1 mm.
Der Zweck jedes Elementarzerstäubers ist es, einen Sprühregen von Tröpfchen in eine genaue Richtung auszustoßen. Diese Richtung ist die Richtung der Achse des Kanals und der Hohlleitung für flüssigen Brennstoff.
Um diese genaue Ausrichtung der Bahnen der Tröpfchen, welche den Sprühregen bilden, sicherzustellen ist es notwendig, eine vollkommene Koaxialität zwischen der Achse des Kanals und jener der Hohlleitung zu haben. Somit ist das Kriterium: αi 1 = αi 2
Außerdem müssen die Länge der Hohlleitung und die Länge des Kanals ausreichen, um die Festsetzung der Strömungen der beiden Fluide in ihren jeweiligen Leitungen zu sichern. Wenn gewünscht wird, dass die beiden Fluide mit derselben Ausrichtung der axialen Komponenten ihrer jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren in die Verbrennungskammer eintreten, dann wird bevorzugt, dass: Li 1 ≥ 5 Di 1 und normalerweise Li 1 = 10 Di 1 Li 2 ≥ 5 (Di 3 – Di 2) und normalerweise Li 2 = 15 (Di 3 – Di 2)
D. Verteilung der Fluide unter den verschiedenen Elementarzerstäubern
Um eine richtige Verteilung des flüssigen Brennstoffs unter den verschiedenen Elementarleitungen, welche das Gerät bilden, zu gewährleisten, ist das Kriterium DOI 2 ≥ 1,3ΣiDi 1 2 und normalerweise DOI = 4 mmzu erfüllen. Außerdem müssen die Längen der verschiedenen Leitungen so dicht beieinander als möglich sein:
Sind i und j zwei Elementarzerstäuber, dann gilt Lⁱ ₁ = L^j ₁.
In Abhängigkeit davon, ob gewünscht wird, verschiedene Fördermengen des flüssigen Brennstoffs an jede Elementarleitung zu verteilen, oder nicht, können Dⁱ ₁-Werte gewählt werden, die für jede Elementarleitung spezifisch sind, oder nicht. Je größer Dⁱ ₁ ist, umso mehr Brennstoff wird durch den Elementarzerstäuber i befördert.
Um eine richtige Verteilung von Zerstäubungsfluid an die verschiedenen Elementarkanäle, welche das Gerät umfasst, sicherzustellen, ist das Kriterium DFP 2 – DOE 2 ≥ 1,3Σi(Di 3 2 – Di 2 2)zu erfüllen. Außerdem müssen die Längen der verschiedenen Leitungen so dicht beieinander sein als möglich:
Sind i und j zwei Elementarzerstäuber, dann gilt Lⁱ ₂ = L^j ₂.
E. Relative Winkel zwischen verschiedenen Elementarzerstäubern: Beispiel für ein Gerät mit drei Elementarzerstäubern (18)
Der relative Winkel zwischen den verschiedenen Elementarzerstäubern ist eine Funktion der Anzahl der Elementarzerstäubern, welche das Zerstäubungsgerät bilden, und der Flammenmorphologie, die zu erhalten gewünscht wird. Daraus folgt: 0° ≤ αi 1 ≤ 60° und 0° ≤ αi 2 ≤ 60°.
Im Allgemeinen gilt, je größer die Anzahl von Elementarzerstäubern ist und je größer die relativen Winkel zwischen diesen Elementarzerstäubern sind, umso breiter und kürzer ist die Flamme.
Umgekehrt erzeugt ein Zerstäubungsgerät, welches zwei Elementarzerstäuber mit einem flachen relativen Winkel (im Bereich von 10°, das heißt α¹ ₁ = α¹ ₂ = 5° und α² ₁ = α² ₂ = 5°) aufweist, eine lange und gerade Flamme.
Als Beispiel wurden bei industriellen Versuchen in einem Glasofen und in einem Versuchsofen mit zwei Zerstäubungsgeräten, welche jeweils drei Elementarzerstäuber aufwiesen, die folgenden Flammen erhalten: Brennölfördermenge = 100 kg/h; Zerstäubungsluftfördermenge = 20 kg/h.
Gerät A (18)
α1 1 = α1 2 = 16°; α2 1 = α2 2 = 0°; α3 1 = α3 2 = 16°. D1 1 = D2 1 = D3 1 = 2,0 mm.

Länge der sichtbaren Flamme = 3,5 mm.
Breite der sichtbaren Flamme = 1,5 m.

Gerät B (18)
αi 1 = α1 2 = 12°; α2 1 = α2 2 = 0°; α3 1 = α3 2 = 12°. D1 1 = D2 1 = D3 1 = 2, 0 mm.

Länge der sichtbaren Flamme = 4, 5 mm.
Breite der sichtbaren Flamme = 0,7 m.

In Abhängigkeit von den jeweiligen Winkeln für die Elementarzerstäuber und dem relativen Durchmesser der Hohlleitungen, welche den flüssigen Brennstoff befördern, ist es auch möglich, getrennte Flammen für jeden Elementarzerstäuber zu erhalten.
Somit ergibt sich bei denselben Brennöl- und Zerstäubungsluftfördermengen:
Gerät C (18)
α1 1 = α1 2 = 20°; α2 1 = α2 2 = 0°; α3 1 = α3 2 = 20°. D1 1 = D2 1 = D3 1 = 2,0 mm.

Länge von 3 getrennten sichtbaren Flammen = 1,5 mm.
Breite von 3 getrennten sichtbaren Flammen = 0,5 m.

F. Zusätzliche Charakteristiken der äußeren Düse in Zusammenhang mit der Verwendung des Zerstäubungsgeräts in Glasöfen (19a und 19b)
Im Fall von ununterbrochener Verwendung dieses Geräts in Glasöfen (Verbrennungskammern mit erhöhten Temperaturen, die von 1.500°C bis 1.670°C reichen) muss das Zerstäubungsgerät der Erfindung imstande sein, die Erzeugung einer beständigen Flamme für Zeiträume in der Ordnung von Monaten sicherzustellen. Der ausgewählte Zerstäubungsgxundsatz macht es möglich, die Temperatur von Metallteilen, welche das Gerät bilden, unter 1.100°C zu halten. Somit überschritt die Temperatur, welche am Mundstück des Geräts während eines industriellen Versuchs für einen Monat in einem Glasofen bei 1.600°C gemessen wurde, nie 800°C.
Diese Temperaturen, welche im Vergleich zur Schmelztemperatur von Glas (~1.350°C) nicht sehr hoch sind, führen durch die Glasmaterialien, die in Glasöfen vorhanden sind, zu einer Kondensationserscheinung.
Um die Bildung einer Schicht von Glaskondensaten auf der Außenseite der äußeren Düse zu vermeiden, sind zwei symmetrische Öffnungen in der Düse vorgesehen (19a und 19b). Der Durchmesser D_OR und die Höhe H_OR werden so festgelegt, dass der Zerstäubungsfluidstrahl, welcher aus den Öffnungen hervortritt, die gesamte Oberfläche des Endes der äußeren Düse abdeckt. Normalerweise sind DOR ~ 1 mm und HOR ~ 1.0 mm.
Um die Bildung einer Glaskondensatschicht auf der Vorderseite und der Seite der äußeren Düse zu vermeiden, ist ein kleiner Schlitz (e_FF ~ 0,1 mm) zwischen den äußeren Düsen zu machen.
G. Steuerung der Flammenlänge bei einer festen Geometrie
Für eine bestimmte Geometrie des Zerstäubungsgeräts der vorliegenden Flamme ist es möglich, die Länge der Flamme (oder Flammen), welche durch einen Brenner, der dieses Gerät verwendet, erzeugt werden, erheblich zu ändern. Die Flexibilität (hinsichtlich der Flammenlänge bei konstanter Brennstofffördermenge), welche beobachtet wurde, wenn dieses Gerät in einem Glasofen eingesetzt wird, entspricht einem Verhältnis von eins zu drei (Flammenlänge, welche von 3,7 zu 1,2 m variiert).
Diese Steuerung der Flammenlänge wird durch Vermehren oder Verringern der Fördermenge des Zerstäubungsfluids, welches zwischen der äußeren Düse und dem Injektor für flüssigen Brennstoff strömt, erreicht. Diese Änderung der Fördermenge ist direkt mit der Änderung des Drucks des Zerstäubungsfluids stromaufwärts vom Zerstäubungsgerät verbunden.
Bei normalem Gebrauch funktioniert dieses Gerät bei einem Zerstäubungsfluiddruck von zwischen 1 und 6 bar relativ. Je höher der Druck des Zerstäubungsfluids ist, umso größer ist die Fördermenge von Zerstäubungsfluid und umso kürzer und „härter" ist die erhaltene Flamme (oder Flammen). Diese Erscheinung kann direkt der Änderung der Partikelgrößenverteilung der Tröpfchen flüssigen Brennstoffs zugeschrieben werden, die den Sprühregen ausmachen, der gebildet wird: die Zunahme der Fördermenge von Zerstäubungsfluid bewirkt eine Verringerung des durchschnittlichen Durchmessers der Sprühtröpfchen und eine Einengung der Verteilung der Durchmesser um diesen Durchschnittswert. Umgekehrt vergrößert eine Abnahme der Fördermenge von Zerstäubungsfluid den durchschnittlichen Durchmesser bei Ausweitung der Verteilung.
Bevorzugte Druckzerstäubungsfluide, wie beispielsweise Druckluft, Dampf, Wasserdampf und dergleichen, werden eingesetzt.
III
ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER BRENNEREINHEIT
20a ist eine schematische Veranschaulichung eines feuerfesten Blocks 5 und eines Brenngashohlraums 94 in demselben, während 20b eine schematische Darstellung ist, welche einen Durchmessers D' der Hohlraumverengung und einen Durchmessers D des Gasausgangs für einen Injektor oder Hohlraum veranschaulicht. Für Brenngas liegt das Verhältnis von 1 (aus 2, der Abstand zwischen benachbarten Brenngasausgängen) und D' (Durchmesser der Brennstoffhohlraum- oder Injektorverengung) im Bereich von 1,5 bis 10, vorzugsweise von 1,5 bis 3 und insbesondere 2. 20a veranschaulicht auch, dass die Hohlräume im feuerfesten Block einen unterschiedlichen Durchmesser in der Gasstromrichtung aufweisen können, und dass die Gasausgänge an ihren Ausgängen im Allgemeinen profiliert sind, wodurch ermöglicht wird, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die Ausgänge verstopft werden.
21 und 22 sind Endansichten von Gasausgängen von zwei anderen Ausführungsformen des feuerfesten Blocks innerhalb der Erfindung, welche die Oxidationsmittelhohlräume 91a und 91b veranschaulichen. Die Ausführungsform von 21 veranschaulicht, dass die Brenngashohlräume 94 konzentrische Gasinjektoren in jedem Hohlraum aufweisen können, wobei zum Beispiel Brennstoff zum Betrieb bei niedriger Leistung im Gasinjektor 94' mit kleinem Durchmesser und zum Brennerbetrieb bei hoher Leistung entweder nur durch den Gasinjektor 99 mit großem Durchmesser oder durch beide Injektoren 99 und 94' eingeblasen werden kann. Die Steuerung des Brennstoffstroms zwischen 94 und 94' kann durch geeignete Ventilanordnungen oder durch die Verwendung einer Öffnung in der Leitung, welche 99 oder 99' versorgt, erfolgen. Es ist auch ein Injektor 95 für flüssigen Brennstoff veranschaulicht.
22 veranschaulicht eine sehr wichtige alternative Ausführungsform des feuerfesten Blocks innerhalb der Erfindung, wobei sich herausstellte, dass die Flammenbeständigkeit wesentlich verbessert wird, wenn die peripheren Oxidationsmittelinjektoren 91a und 91b bei Positionierung wie veranschaulicht einen sie voneinander trennenden Abstand von L aufweisen, der zweimal größer als der Abstand 1 zwischen benachbarten Brennstoffinjektoren ist, das heißt, wenn L > 21. Dies trifft zu, selbst wenn der Brennstoff und das Oxidationsmittel nur mittels der Verwendung eines Injektors anstatt der Verwendung eines feuerfesten Blocks eingespritzt werden.
23 bis 31 veranschaulichen in Vorderansichten andere Ausführungsformen von Brennereinheiten der Erfindung. 23 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die beiden Oxidationsmittelhohlräume 91a und 91b Ausgänge aufweisen, welche rechteckig sind, wobei auch drei Brenngasausgänge 94 und ein Ausgang 95 für flüssigen Brennstoff veranschaulicht sind.
24 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher Oxidationsmittel aus zwei Oxidationsmittelausgängen 91a und 91b ausströmen und Oxidationsmittel auch aus drei ringförmigen Abschnitten 91', welche jeweils drei Brennstoffausgänge 94' umgeben, ausströmen.
25 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher ein einzelner Oxidationsmittelausgang 91 so vorhanden ist, dass er rechteckig ist und eine Breite aufweist, die wesentlich größer als seine Höhe ist. In dieser Ausführungsform kann das Verhältnis Breite zu Höhe des Oxidationsmittelhohlraumausgangs von 1 : 1 bis zu 4 : 1 reichen.
26 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher zwei Oxidationsmittelhohlräume 91a und 91b Ausgänge aufweisen, welche ellipsoidisch sind, wobei auch drei Brenngasausgänge 94 veranschaulicht sind.
27 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche der Ausführungsform von 26 ähnelt, wobei ein Hohlraum 95 für flüssigen Brennstoff mit einem kreisförmigen Ausgang hinzugefügt ist.
28 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher ein einziger ellipsoidischer Oxidationsmittelausgang 91 mit drei Brenngasausgängen 94, welche kreisförmige Ausgänge, aufweisen vorhanden ist.
29 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche der Ausführungsform von 28 ähnelt, wobei ein Hohlraum 95 für flüssigen Brennstoff mit einem kreisförmigen Ausgang hinzugefügt ist.
30 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher ein einziger ellipsoidischer Oxidationsmittelausgang 91 mit zwei Brenngasausgängen 94, welche kreisförmige Ausgänge aufweisen, vorhanden ist.
31 veranschaulicht eine Ausführungsform, welche der Ausführungsform von 30 ähnelt und bei welcher ein einziger ellipsoidischer Oxidationsmittelausgang 91 mit zwei Brenngasausgängen 94, welche kreisförmige Ausgänge aufweisen, vorhanden ist, wobei ein Hohlraum 95 für flüssigen Brennstoff mit einem kreisförmigen Ausgang hinzugefügt ist.
32 und 33 veranschaulichen Ausführungsformen, bei welchen Oxidationsmittel aus einer oder mehr Stellen sowohl über als auch unter dem Brennstoffausgang/den Brennstoffausgängen ausströmen. In diesen Ausführungsformen sind die Brennstoffhohlräume im Wesentlichen parallel zu den unteren Oxidationsmittelhohlräumen, während die oberen Oxidationsmittelhohlräume nach unten abgewinkelt sind, so dass der obere Oxidationsmittelfluidstrom mit dem Brennstofffluidstrom und den unteren Oxidationsmittelfluidströmen in der Verbrennungskammer zusammenläuft. Somit sind in 32 zwei Oxidationsmittelausgänge 91a und 91b über beziehungsweise unter einem einzigen Brennstoffausgang 94 positioniert. 33 veranschaulicht eine ähnliche Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass es zwei Oxidationsmittelausgänge 91a und 91b über zwei Brennstoffausgängen 94 und zwei Oxidationsmittelausgänge 91a' und 91b' unter den beiden Brennstoffausgängen gibt. Mehr als zwei Brennstoffausgänge mit entsprechenden oberen und unteren Oxidationsmittelausgängen kann man sich auch vorstellen.
Viele andere Ausführungsformen sind möglich und können vom Fachmann nach der Lektüre und Kenntnis der vorstehenden Darlegungen konstruiert werden.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Oxidationsmittel- und Brennstoffausgänge in allen Ausführungsformen vorzugsweise profiliert sind, wie zum Beispiel in 8 bis 11 abgebildet.

Claims

Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Zufuhr eines Oxidationsmittelfluidstroms; b) Einspritzen einer größeren Menge des Oxidationsmittelfluidstroms in eine Verbrennungskammer in wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidströmen; c) Bereitstellen einer Zufuhr eines Brennstofffluidstroms; d) Einspritzen des Brennstofffluidstroms in die Verbrennungskammer, um wenigstens zwei eingespritzte Brennstofffluidströme zu erzeugen; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: e) Erzeugen einer im Wesentlichen ebenen Schicht von Brennstofffluid in der Verbrennungskammer mit den wenigstens zwei in die Verbrennungskammer eingespritzten Brennstofffluidströmen, wobei wenigstens zwei der eingespritzten Brennstofffluidströme im Wesentlichen in einer ersten Brennstoffebene (2) angeordnet sind, der Abstand h zwischen der ersten Brennstoffebene und der zweiten Oxidationsmittelebene (4), welche durch die wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidströme definiert ist, wenigstens zweimal dem Durchmesser des Oxidationsmittelinjektors (23, 24) in der vertikalen Ebene am Ausgang der Strömungshohlräume entspricht; f) Schneiden des Oxidationsmittelfluidstroms mit der Schicht von Brennstofffluid in der Verbrennungskammer; und g) Verbrennen des Brennstofffluids mit dem Oxidationsmittelfluid in der Verbrennungskammer, wobei der Winkel α zwischen der ersten Brennstoffebene (2) und der zweiten Oxidationsmittelebene (4) kleiner als 20° ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Brennstofffluidströme einen auseinander strebenden Endwinkel aufweisen, der nicht größer als 15° ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine größere Menge der Brennstofffluidströme im Wesentlichen in der ersten Ebene (2) angeordnet ist, wobei die erste Brennstoffebene unter den Oxidationsmittelströmen liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner dadurch gekennzeichnet, dass alle Brennstofffluidströme im Wesentlichen in der ersten Ebene angeordnet sind, wobei die erste Brennstoffebene (2) unter den Oxidationsmittelströmen liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstofffluid ein gasförmiger Brennstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstofffluid aus der Gruppe bestehend aus Methan, Erdgas, verflüssigtem Erdgas, dampfreformiertem Erdgas, Propan, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, zerstäubtem Öl oder Mischungen davon ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidations mittelfluid ein sauerstoffhaltiges Gas mit wenigstens 50 Volumen-% Sauerstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der auseinander strebende Endwinkel im Bereich von 3° bis 10° liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das ganze Oxidationsmittel in den wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidströmen, welche die zweite Ebene (4) definieren, eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Oxidationsmittelfluidströme einen auseinander strebenden Endwinkel ergeben, der kleiner als 15° ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung der Brennstoffströme eine Brennstoffwolke erzeugt, welche einen Streuwinkel aufweist, der höchstens 120° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Streuwinkel im Bereich von 10° bis 60° liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffgeschwindigkeit wenigstens 15 Meter pro Sekunde beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste Brennstoffebene drei Brennstofffluidströme und zwei Oxidationsmittelfluidströme umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens zwei eingespritzte Oxidationsmittel fluidströme und eine Erdgaseinblasung zwischen diesen wenigstens zwei eingespritzten Oxidationsmittelfluidströmen angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein niedriger Oxidationsmittelzufuhrdruck bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Oxidationsmittel mehr als 50 Vol.-% O₂ und vorzugsweise mehr als 88 Vol.-% O₂ umfasst.
Brennereinheit mit wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräumen (1a, 1b, 1c oder 20, 22), wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidhohlräumen (3a, 3b oder 23, 24) und wenigstens einer Ausgangsseite, an welcher wenigstens zwei der Brennstofffluidhohlräume oder wenigstens zwei der Oxidationsmittelfluidhohlräume oder beide enden, wobei die Brennereinheit außerdem aufweist: a) Mittel zum Zuführen eines Oxidationsmittelfluidstroms; b) Mittel zum Einspritzen des Oxidationsmittelfluidstroms in wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidhohlräume, um wenigstens zwei eingespritzte Oxidationsmittelfluidströme zu erzeugen; c) Mittel zum Zuführen eines Brennstofffluidstroms; d) Mittel zum Einspritzen des Brennstofffluidstroms in wenigstens zwei Brennstofffluidhohlräume, um wenigstens zwei eingespritzte Brennstofffluidströme zu erzeugen, welche eine erste Brennstoffebene (2) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass: die Richtungen der Einspritzung des Oxidations mittelfluidstroms und des Brennstofffluidstroms im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 0° und 20° zusammenlaufen und sich bei einer Verbrennungszone schneiden, während die Richtungen von wenigstens zwei benachbarten Brennstofffluidhohlräumen auseinander streben, und der Abstand h zwischen der ersten Brennstoffebene und der zweiten Oxidationsmittelebene (4), welche durch die wenigstens zwei Oxidationsmittelfluidströme definiert ist, wenigstens zweimal dem Durchmesser des Oxidationsmittelinjektors in der vertikalen Ebene am Ausgang der Strömungshohlräume entspricht.
Brennereinheit nach Anspruch 18, ferner umfassend einen feuerfesten Block (5), der so ausgelegt ist, dass er mit Oxidationsmittel- und Brennstoffquellen in Fluidverbindung steht, wobei der feuerfeste Block (5) ein Brennstoff- und Oxidationsmitteleingangsende und ein Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende aufweist, das Ausgangsende Brennstoffausgänge und Oxidationsmittelausgänge aufweist, und der feuerfeste Block (5) ferner aufweist: eine Mehrzahl von Brennstoffhohlräumen, wobei wenigstens zwei der Brennstoffhohlräume die erste Brennstoffebene (2) definieren, und eine Mehrzahl von Oxidationsmittelhohlräumen, welche die zweite Oxidationsmittelebene (4) definieren, wobei die Brennstoffhohlräume zahlreicher als die Oxidationsmittelhohlräume sind.
Brennereinheit nach Anspruch 19, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelausgänge größer als die Brennstoffausgänge sind.
Brennereinheit nach Anspruch 19 oder 20, ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine Befestigungsklammereinheit (72) am Brennstoff- und Oxidations mitteleingangsende des feuerfesten Blocks abnehmbar angebracht ist, wobei die Befestigungsklammereinheit eine Gasverteilungsseite aufweist.
Brennereinheit nach Anspruch 21, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffverteiler (74) auf einem unteren Abschnitt der Gasverteilungsseite positioniert ist.
Brennereinheit nach Anspruch 21 oder 22, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffverteiler (76) auf einem oberen Abschnitt der Gasverteilungsseite positioniert ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 23, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Block ein Material ist, das aus der Gruppe bestehend aus geschmolzener Zirkonerde, schmelzgegossener Tonerde-Zirkonerde-Kieselerde, wiedergebondeter Tonerde-Zirkonerde-Kieselerde und schmelzgegossener Tonerde ausgewählt ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 29, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehr Hohlräume einen Injektor darin aufweisen.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 25, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Block wenigstens fünf Hohlräume aufweist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 26, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der feuerfeste Block drei Hohlräume (1a, 1b, 1c) an einem unteren Abschnitt davon zur Einspritzung des Brennstoffs in eine Ofenverbrennungskammer und zwei Hohlräume (3a, 3b) an einem oberen Abschnitt davon zur Einspritzung des Oxidationsmittels in die Ofenverbrennungskammer aufweist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 27, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff- und Oxidationsmittelausgänge kreisförmig sind.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 28, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume gerade Durchgangslöcher durch den feuerfesten Block (5) sind und die Hohlraumausgänge profiliert sind.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 27 bis 29, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die drei Hohlräume am unteren Abschnitt für die Brennstoffeinspritzung jeweils in einem auseinander strebenden Endwinkel am Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende, welcher im Bereich von 3° bis 15° liegt, in Bezug auf einen benachbarten Brennstoffhohlraum eingestellt sind.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 27 bis 30, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die drei Hohlräume am unteren Abschnitt für die Brennstoffeinspritzung jeweils in einem auseinander strebenden Endwinkel am Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende, welcher im Bereich von 3° bis 10° liegt, in Bezug auf einen benachbarten Brennstoffhohlraum eingestellt sind.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 27 bis 31, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Hohlräume am oberen Abschnitt zur Einspritzung des Oxidationsmittels in einem auseinander strebenden Endwinkel zwischen ihnen am Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende positioniert sind, welcher im Bereich von 0° bis 15° liegt.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 27 bis 32, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Hohl räume am oberen Abschnitt zur Einspritzung des Oxidationsmittels in einem auseinander strebenden Endwinkel zwischen ihnen am Brennstoff- und Oxidationsmittelausgangsende positioniert sind, welcher im Bereich von 7° bis 15° liegt.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 23 bis 33, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsmittelverteiler (76) mit Befestigungsmitteln direkt auf der Befestigungsklammereinheit (72) montiert ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 22 bis 34, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffverteiler (74) mit Befestigungsmitteln direkt auf der Befestigungsklammereinheit (72) montiert ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 27 bis 35, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffverteiler (74) ein einzelnes einstückiges Bauteil ist, welches in einen Hohlraum des feuerfesten Blocks (5) passt, wobei der Brennstoffverteiler (74) mehrere Brennstoffausgänge aufweist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 36, ferner dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brennstoffhohlraum eine Verengung mit einem Verengungsdurchmesser D' und einen Ausgang mit einem Ausgangsdurchmesser D' aufweist und die Brennstoffhohlraumausgänge durch einen Abstand I voneinander beabstandet sind.
Brennereinheit nach Anspruch 37, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Abstands I zum Durchmesser D' einer schmalsten der Brennstoffhohlraumverengungen im Bereich von 1,5 zu 10 liegt.
Brennereinheit nach Anspruch 38, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis im Bereich von 1,5 zu 3 liegt.
Brennereinheit nach Anspruch 38 oder 39, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis 2 ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 40, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von (I/d) im Bereich von 4 zu 10 liegt.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 41, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von (L/D)) im Bereich von 2 zu 10 liegt.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 42, ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen Injektor für flüssigen Brennstoff aufweist, welcher in einen Abstand d₂ unter der ersten Brennstoffebene positioniert ist, wobei d₂ als d2 = d1ρFO/ρNG[(IFO + IAIR)/ING](10–3)definiert ist, und wobei: I_FO = die Bewegungsgröße des flüssigen Brennstoffs im Hohlraum oder im Injektor, I_AIR = die Bewegungsgröße der Zerstäubungsluft im Injektor oder im Hohlraum, I_NG = die Bewegungsgröße des gasförmigen Brennstoffs, _ρFO = die relative Dichte des flüssigen Brennstoffs und _ρNG = die relative Dichte des gasförmigen Brennstoffs ist,

wobei die erste Brennstoffebene und die zweiten Oxidationsmittelebenen durch einen Abstand d₁ getrennt sind, d1 = A(P/1000)1/2 wobei P die Brennerleistung in Kilowatt (kW) und etwa 500 mm < A < 150 mm ist.
Brennereinheit nach Anspruch 43, ferner dadurch gekennzeichnet, dass A 110 Millimeter ist und I_FO = 0,06 N, I_AIR = 1,7 9 N, I_NG = 1,56 N, _ρFO FO = 0,9 kg/dm³, _ρNG = 0,74 kg/m³ und die Abmessungswerte in Tabelle 1 aufgelistet sind, wobei d der Durchmesser der Gasbrennstoffausgänge ist, D der Durchmesser der Oxidationsmittelausgänge ist, L der Abstand zwischen den äußersten Oxidationsmittelausgängen ist und I der Abstand zwischen irgendwelchen zwei Gasbrennstoffausgängen ist. Tabelle 1. Brennerleistung
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 94, ferner dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens zwei periphere Oxidationsmittelhohlräume (91a, 91b), welche durch einen Abstand L getrennt sind, und benachbarte Brennstoffhohlräume (94), welche durch einen Abstand I getrennt sind, aufweist, wobei L um einen Faktor von wenigstens 2 größer als I größer ist.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 45, ferner dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Brennstofffluidhohlräume (94) in der ersten Brennstoffebene ein Rohr innerhalb des Hohlraums (94') aufweist, wobei das Rohr einen Außendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen kleiner als ein Innendurchmesser des Hohlraums ist.
Brennereinheit nach einem der Anspruches 19 bis 46, ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oxidationsmittelebene und die erste Brennstoffebene so positioniert sind, dass sie in einem Winkel, der im Bereich von 0° bis 15° liegt, zusammenlaufen.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 20 bis 47, ferner dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hohlraum einen Injektor darin positioniert aufweist.
Brennereinheit nach Anspruch 48, wobei der Injektor in die Verbrennungskammer vorsteht.
Brennereinheit nach Anspruch 48 oder 49, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor eine solche Länge aufweist, dass er nicht in die Verbrennungskammer vorsteht, aber an einer Stelle innerhalb des feuerfesten Blocks endet.
Brennereinheit nach einem der Ansprüche 19 bis 50, welche ferner einen einzelnen Hohlraum für flüssigen Brennstoff aufweist, um einen Strom von pulverisiertem flüssigem Brennstoff zu erzeugen, wobei entweder gasförmiger Brennstoff eingeblasen wird, um die wenigstens zwei Brennstofffluidströme zu erzeugen, oder flüssiger Brennstoff durch den einzelnen Hohlraum für flüssigen Brennstoff eingespritzt wird, um einen Strom von pulverisiertem flüssigem Brennstoff zu erzeugen.