DE69821730T2

DE69821730T2 - Brennstoffzerstäubungsbrenner und Verbrennungsverfahren durchgeführt mit diesem Brenner

Info

Publication number: DE69821730T2
Application number: DE69821730T
Authority: DE
Inventors: Guy Tackels; Patrick Rouchy; Joseph Vernaz
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: DE69821730D1; US6244524B1; PT921349E; JPH11237008A; US20010007737A1; FR2772118A1; ATE259959T1; ES2216257T3; US6551095B2; FR2772118B1; JP4260948B2; EP0921349A1; EP0921349B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsverfahren und eine -vorrichtung, in welchem/welcher die Zufuhr des Brennstoffs von wenigstens einem Brenner sichergestellt wird, der mit mindestens einer Brennerdüse ausgestattet ist.
Die Erfindung wird insbesondere für eine Anwendung auf das Erschmelzen von Glas in Glasschmelzöfen, speziell Öfen für die Herstellung von Flachglas vom Typ Floatglas oder Öfen für die Herstellung von hohlem Verpackungsglas, beispielsweise Öfen, die mit Feuerwechsel arbeiten, vom Typ derjenigen, in denen Regeneratoren (Wärmerekuperatoren) verwendet werden, beschrieben, sie ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
Die meisten Verbrennungsverfahren des zuvor genannten Typs, insbesondere diejenigen, die in Glasschmelzöfen angewendet werden, verursachen Probleme hinsichtlich der unerwünschten Emission von NO_x in den Abgasen.
NO_x haben sowohl auf den Menschen als auch die Umwelt einen schädlichen Einfluss. Einerseits ist NO₂, als ein Reizgas die Ursache von Atemwegserkrankungen. Andererseits können sie in Berührung mit der Atmosphäre zunehmend sauren Regen bilden. Schließlich führen NO_x zu einer photochemischen Verschmutztung, da sie in Kombination mit flüchtigen organischen Verbindungen und der Sonneneinstrahlung die Ursache der Bildung von troposphärischem Ozon sind, dessen Zunahme in niedriger Höhe für den Menschen, vor allem in der warmen Jahreszeit, schädlich ist.
Alle diese Gründe bewirken, dass die hinsichtlich NO_x in Kraft befindlichen Normen immer anspruchsvoller werden. Jedoch bemühen sich aufgrund des Vorhandenseins dieser Normen die Hersteller von Öfen wie diejenigen von Glasöfen ständig, die NO_x-Emissionen maximal zu begrenzen, vorzugsweise auf einen Gehalt von unter 500 mg/m³ in Abgasen.
Die Parameter, welche die Bildung der NO_x beeinflussen, sind bereits analysiert. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die Temperatur, da bei über 1 300 °C die NO_x-Emission exponentiell zunimmt, den Luftüberschuss, da die Konzentration von NO_x von der Quadratwurzel aus derjenigen des Sauerstoffs abhängig ist, oder auch um die N₂-Konzentration.
Zahlreiche Verfahren sind bereits vorgeschlagen worden, um die NO_x Emission zu senken.
Ein erstes Verfahren besteht darin, ein Reduktionsmittel auf das emittierte Gas einwirken zu lassen, um die NO_x in Stickstoff umzuwandeln. Dieses Reduktionsmittel kann Ammoniak sein, wobei jedoch die Nachteile, die es mit sich bringt, wie die Schwierigkeit, ein solches Produkt zu lagern und zu handhaben, bekannt sind. Weiterhin ist es möglich, ein natürliches Gas als Reduktionsmittel einzusetzen, wobei dies jedoch zu Lasten des Verbrauchs des Ofens geht und die CO₂-Emissionen erhöht.
Es ist daher bevorzugt, jedoch nicht zwingend, sich von diesem Verfahren zu lösen, indem als primär bezeichnete Maßnahmen ergriffen werden.
Diese Maßnahmen werden so genannt, da mit ihnen nicht versucht wird, die bereits gebildeten NO_x zu zerstören, wie in dem zuvor beschriebenen Verfahren, sondern vielmehr ihre Bildung, beispielsweise in der Flamme, verhindert wird. Diese Maßnahmen sind außerdem einfacher durchzuführen und daher wirtschaftlicher. Sie können jedoch nicht vollständig das zuvor genannte Verfahren ersetzen, aber vorteilhafterweise ergänzen. Diese primären Maßnahmen bilden daher eine unerlässliche Voraussetzung, um den Verbrauch an Reaktanten der sekundären Maßnahmen zu senken.
Die zur Verfügung stehenden Maßnahmen können daher beispielsweise in mehrere Kategorien eingeteilt werden:

– Eine erste Kategorie besteht darin, die NO_xBildung mittels des als "Reburning" bezeichneten Verfahrens zu senken, durch welches in der Verbrennungskammer eines Ofens eine an Luft verarmte Zone gebildet wird. Dieses Verfahren hat unter anderem den Nach teil, dass die Temperatur der Regeneratorschichten erhöht wird und gegebenenfalls eine spezielle Gestaltung der Regeneratoren und deren Schichten vorzusehen ist, insbesondere was Dichtheit und Korrosionsbeständigkeit betrifft.
– Eine zweite Kategorie besteht darin, auf die Flamme einzuwirken, indem die NO_x Bildung in ihr verhindert oder wenigstens verringert wird. Dazu kann beispielsweise versucht werden, den Überschuss an Verbrennungsluft zu senken. Weiterhin ist es möglich, zu versuchen, die Temperaturpeaks zu begrenzen, indem die Flammenlänge aufrechterhalten wird und das Volumen der Flammenfront erhöht wird, um die mittlere Temperatur in der Flamme zu senken. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der französischen Patentanmeldung FR 2 750 977 und in der internationalen Patentanmeldung WO 9 802 386 beschrieben, die am 11. Juli 1996 bzw. am 9. Juli 1997 eingereicht wurde. Sie besteht in einem Verbrennungsverfahren für das Erschmelzen von Glas, in welchem die Zufuhr des Brennstoffs und die Zufuhr des Verbrennungsmittels derart erfolgen, dass der Kontakt Brennstoff/Verbrennungsmittel in der Zeit vergleichmäßigt und/oder das Kontaktvolumen vergrößert wird, um die NO_x Emission zu senken.

Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein neues Verbrennungsverfahren und eine neue Verbrennungsvorrichtung vorzuschlagen, in welchen der Brennstoff ein flüssiger Brennstoff ist, der es erlaubt, die Flamme zu verlängern und/oder die Temperaturspitzen in deren Inneren zu senken, um die NO_x-Bildung zu verringern.
Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, ein Verbrennungsverfahren und eine Verbrennungsvorrichtung, die sich darauf bezieht, vorzuschlagen, die für alle zur Verfügung stehenden Konstruktionen von Glasschmelzöfen geeignet sind und es erlauben, einen optinialen Wärmeübergang zu erhalten, insbesondere, indem eine Flamme mit adäquater Länge und mit ausreichend großem Volumen bereitgestellt wird, um die maximale Bedeckung des Bades aus schmelzenden Glasrohstoffen zu begünstigen.
In GB 1 188 761 wird ein mit einer Düse ausgestatteter Brenner gelehrt, der eine Zuleitung für den flüssigen Brennstoff, die eine Innenwand aufweist, und eine Zuleitung für das Zerstäubungsfluid umfasst, die konzentrisch in Bezug auf die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff angeordnet ist, wobei die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff eine Düse zum Ausstoßen des flüssigen Brennstoffs enthält, und die Zuleitung für das Zerstäubungsfluid in einem Düsenstein endet, der mit einer Öffnung durchbohrt ist, durch welche das Zerstäubungsfluid ausgestoßen wird, die Düse in den Düsenstein eingefügt ist, die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff ein Mittel umfasst, um den flüssigen Brennstoff in die Form eines Hohlstrahls zu bringen, der sich im Wesentlichen an die Innenwand anschmiegt, unmittelbar, bevor er aus der Zuleitung ausgestoßen wird, und der Endteil der Düse nicht in der Ebene ausgerichtet ist, die von der Seite des Düsensteins gebildet wird. Bei einer solchen Gestaltung befindet sich das Zerstäubungsfluid in Berührung mit der Seite des Düsensteins, in welche die Öffnung mündet. Dieser Brenner erzeugt eine sehr feine Zerstäubung.
Die Erfindung hat einen Brenner zum Gegenstand, der mit mindestens einer Brennerdüse ausgestattet ist, die eine Zuleitung für einen flüssigen Brennstoff vom Typ Heizöl, die mindestens eine Innenwand aufweist, und eine Zuleitung für ein Zerstäubungsfluid umfasst, die in Bezug auf die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff konzentrisch angeordnet ist, wobei die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff eine Düse für die Abgabe des flüssigen Brennstoffs enthält, die Zuleitung für das Zerstäubungsfluid in einem Düsenstein endet, der mit einer Öffnung durchbohrt ist, aus welcher das Zerstäubungsfluid strömt, mindestens ein Teil der Düse in diesen Düsenstein eingefügt ist und die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff mindestens ein Mittel enthält, um den flüssigen Brennstoff in die Form eines Hohlstrahls zu bringen, der im Wesentlichen entlang der Innenwand führt, unmittelbar bevor er von seiner Zuleitung abgegeben wird. Erfindungsgemäß ist der Endteil der Düse in der Ebene ausgerichtet, die von der Seite des Düsensteins gebildet wird, die keinen Kontakt mit dem Zerstäubungsfluid hat und auf welcher die Öffnung mündet.
Sie betrifft weiterhin ein Verbrennungsverfahren, das insbesondere für das Erschmelzen von Glas angewendet wird, und in welchem die Zufuhr des Brennstoffs von mindestens dem erfindungsgemäßen Brenner sichergestellt wird. Erfindungsgemäß wird der flüssige Brennstoff unmittelbar, bevor er aus der Zuleitung ausgestoßen wird, in die Form eines Hohlstrahls gebracht, der sich im Wesentlichen an die Innenwand anschmiegt.
Die erfindungsgemäße Lösung entspricht perfekt dem gestellten Problem. Indem so eine sehr spezifische Strömung des flüssigen Brennstoffs erzeugt wird, unmittelbar bevor er die Zuleitung verlässt, wird eine verstärkte mechanische Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs durch das Zerstäubungsfluid am Ausgang der Leitung ermöglicht, was es erlaubt, eine sehr große Heterogenität der Tröpfchen aus diesem Brennstoff zu erhalten, und somit zu verhindern, dass diese mit einer zu großen Schnelligkeit verbrennen, was eine Ursache für die Bildung von NO_x wäre.
Deshalb kann man es sich sehr vorteilhafterweise bei einer gewünschten Flammentemperatur erlauben, am Eintritt und daher am Ursprung der Flamme weniger Verbrennungsmittel zuzuführen, wodurch die Gefahr der NO_x Bildung weiter verringert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ersetzt nicht notwendigerweise die in der Einleitung genannten bisher zur Verfügung stehenden Verfahren und kann sie gegebenenfalls sehr vorteilhafterweise ergänzen.
Entsprechend einem vorteilhaften erfindungsgemäßen Merkmal wird der flüssige Brennstoff mit einem Steuerdruck von mindestens 1,2 MPa abgegeben.
Dadurch wird unabhängig von der speziellen Gestaltung des Ofens, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, für die sichere Zerteilung des flüssigen Brennstoffs gesorgt, die erforderlich ist, um, wie weiter oben erläutert, eine zu hohe Verbrennungsgeschwindigkeit zu vermeiden.
Vorzugsweise wird der flüssige Brennstoff mit einer Temperatur von 100 bis 150 °C und besonders bevorzugt zwischen 120 und 135 °C abgegeben.
Ein solcher Temperaturbereich erlaubt es, unabhängig von der Art des flüssigen Brennstoffs, der in gegenwärtigen Anlagen, insbesondere in Glasschmelzöfen, eingesetzt wird, ihn unmittelbar bevor er aus der Zuleitung abgegeben wird, auf die erforderliche Viskosität zu bringen. Diese Viskosität kann vorteilhafterweise mindestens 5·10^–6 m²/s und insbesondere 10^–5 bis 2·10^–5 m²/s betragen.
Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird der flüssige Brennstoff in einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von mindestens 10° und insbesondere von 10 bis 20° abgegeben.
Solche Werte erlauben, unabhängig von der Geometrie der Zuleitung des flüssigen Brennstoffs und ihrer Abmessungen, nicht nur systematisch eine Wechselwirkung zwischen dem Strahl aus Zerstäubungsfluid und den flüssigen Brennstofftröpfchen, eine Wechselwirkung, die erfindungsgemäß erforderlich ist, sondern auch eine optimale Verteilung der Größe dieser Tröpfchen derart zu erhalten, dass die entstehende Flamme über die gesamte Länge eine gleichmäßige Temperatur besitzt.
Dazu wird das Zerstäubungsfluid sehr vorteilhafterweise mit einem Durchfluss von höchstens 40 Nm³/h abgegeben.
Selbstverständlich wird der Wert des Durchflusses des Zerstäubungsfluids mit demjenigen des Drucks dieses Fluids korreliert, der maximal zu begrenzen ist. Indem ein derartiger maximaler Wert des Durchflusses wie der zuvor genannte eingestellt wird, wird eine Flammenlänge erhalten, die für alle Gestaltungen zur Verfügung stehender Glasschmelzöfen ausreicht.
Die Erfindung hat weiterhin einen Brenner zum Gegenstand, der mit mindestens einer Brennerdüse ausgestattet und insbesondere für die Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist und eine Zuleitung für den flüssigen Brennstoff vom Typ Heizöl, die mindestens eine Innenwand aufweist, und eine Zuleitung für das Zerstäubungsfluid umfasst, die in Bezug auf die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff konzentrisch angeordnet ist. Dabei ist bemerkenswert, dass die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff mindestens ein Mittel umfasst, um den flüssigen Brennstoff in die Form eines Hohlstrahls zu bringen, der im Wesentlichen entlang der Innenwand führt, unmittelbar bevor er abgegeben wird.
Entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff mindestens ein zylindrisches Rohr.
Entsprechend dieser Ausführungsform umfasst das zuvor genannte Mittel vorteilhafterweise eine Düse, die, vorzugsweise durch Verschrauben, am Ende des zylindrischen Rohrs befestigt ist. Eine speziell an den erfindungsgemäßen Brenner angepasste Geometrie der Düse ist derart, dass sie an ihrem stromabwärtigen Ende eine Verwirbelungskammer mit kegelstumpfförmiger Gestalt umfasst, die von einem Ansatz verlängert wird, dessen Innenwand zylindrisch ist.
Dabei ist festzustellen, dass erfindungsgemäß die Bezeichnungen "stromabwärtig" und "stromaufwärtig" in Bezug auf die Strömungsrichtung des flüssigen Brennstoffs zu verstehen sind.
So wird als stromabwärtiges Ende der Düse das Ende bezeichnet, das am weitesten von der Quelle der Zuleitung des flüssigen Brennstoffs entfernt ist und sich somit am nächsten zu der Stelle befindet, an welcher der Brennstoff von der Zuleitung abgegeben wird. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel θ am Scheitelpunkt der Verwirbelungskammer mindestens 30° und vorzugsweise gleich 60°, was es erlaubt, die Druckverluste beim Strömen des flüssigen Brennstoffs zu minimieren.
Entsprechend einer bevorzugten erfindungsgemäßen Abwandlung umfasst das weiter oben genannte Mittel mindestens ein Element, das die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff im Wesentlichen verschließt und mit insbesondere zylindrischen Kanälen durchbohrt ist, die in Bezug auf die Richtung der Zuleitung für den flüssigen Brennstoff schräg stehen.
Dieses Element ist erfindungsgemäß entscheidend, da es dieses ist, welches durch seine spezielle Geometrie dem flüssigen Brennstoff eine Strömung, die dem weiter oben Festgestellten entspricht, und ein mechanisches Energieniveau verleiht, das ausreichend hoch ist, damit er am Ausgang der Zuleitung zur Form von Tröpfchen zerstäubt werden kann, deren Größenverteilung optimal ist.
Dabei können die Kanäle vorteilhafterweise gleichmäßig über den Umfang des Elements verteilt sein.
Dieses Element hat eine Form, die sein Einfügen in die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff ermöglicht und beispielsweise die eines Zylinders, vorzugsweise mit zwei im Wesentlichen zueinander parallelen Seiten, sein kann. Diese Seiten sind weiterhin vorzugsweise in einer Richtung orientiert, die zur Richtung der Zuleitung des flüssigen Brennstoffs senkrecht steht.
Noch vorteilhafter wird die Richtung aller Kanäle derart gewählt, dass ihre Erzeugende einen Winkel α von mindestens 10°, insbesondere von 15 bis 30°, und vorzugsweise von 20° mit der Richtung der Zuleitung des flüssigen Brennstoffs bildet.
Diese spezielle Ausrichtung erlaubt es, eine Synergie zwischen allen "geteilten" Strahlen aus flüssigem Brennstoff am Ausgang der entsprechenden Kanäle derart zu erhalten, dass, wenn sie auf den stromabwärtigen Teil der Zuleitung, insbesondere die weiter oben genannte Verwirbelungskammer der Düse, treffen, sie sich nicht gegenseitig beeinflussen und zur stromabwärtigen Erzeugung eines einzigen Hohlstrahls zusammenlaufen, der an der Innenwand entlangführt.
Entsprechend einem zusätzlichen Merkmal kann das Element dicht vor der Düse in der Zuleitung für den flüssigen Brennstoff, vorzugsweise an der Verwirbelungskammer, angebracht werden.
Was nun die Zuleitung für das Zerstäubungsfluid betrifft, so umfasst sie vorzugsweise mindestens ein zylindrisches Rohr, an dessen Ende, vorzugsweise durch Verschrauben, ein Düsenstein befestigt ist, der mit einer Öffnung durchbohrt ist, in welche mindestens ein Teil der erfindungsgemäßen Düse eingefügt wird.
Vorzugsweise sind die Öffnung des Düsensteins und die Außenwand des Teils der Düse, der in ihm eingebaut ist, zueinander konzentrisch angeordnet. Diese bevorzugte Anordnung kann weiterhin durch die zuvor genannte Schraubverbindung erhalten werden, die in der Lage ist, die Selbstzentrierung der zuvor beschriebenen Elemente, nämlich der Öffnung des Düsensteins in Bezug auf den Teil der Düse, der in ihm eingebaut ist, sicherzustellen.
Diese konzentrische Anordnung ist dort vorteilhaft, wo, wenn sie fehlte, die Gefahr der Bildung sehr großer Tröpfchen aus flüssigem Brennstoff vom Typ Heizöl am Umfang des Hohlstrahls bestünde, was zu einer mittelmäßigen Verbrennung mit insbesondere einer Erhöhung der Grenze des Auftretens von CO führen kann.
Weiterhin ist es erforderlich, dass der Endteil der Düse ausgerichtet und vorzugsweise perfekt ausgerichtet in der Ebene ist, die von der Seite des Düsensteins, die keinen Kontakt mit dem Zerstäubungsfluid hat und auf welcher die Öffnung mündet, gebildet wird. Eine falsche Ausrichtung würde eine Modifizierung der Aerodynamik von flüssigem Brennstoff und Zerstäubungsfluid am Austritt aus der jeweiligen Zuleitung bedeuten.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Brennerdüse, die zuvor beschrieben worden ist, mittels einer Dichtungseinrichtung, die eine mit Kühlrippen versehene Platte umfasst, dicht in einem Brennerstein aus feuerfestem Material angebracht. Durch eine solche dichte Montage wird am stromabwärtigen Ende der Brennerdüse den Zutritt parasitärer Luft verhindert, die besonders störend ist, da sie den Sauerstoffgehalt am Ursprung der Flamme erhöht, der deren heißesten Teil bildet.
Entsprechend einem anderen Merkmal umfasst der erfindungsgemäße Brenner außerdem eine einstellbare Halterung, auf welcher die zuvor beschriebene Brennerdüse und eine Düse für ein Belüftungsfluid, die zum stromabwärtigen Ende der Brennerdüse, insbesondere zu der zuvor genannten Platte, zeigt, befestigt sind.
Die Halterung ist vorzugsweise in Neigung, Richtung und Translation einstellbar, insbesondere, um auf die Platte der Dichtungseinrichtung zur Auflage zu kommen.
Die Belüftungsdüse gibt Luft ab, was es erlaubt, eine übermäßige lokale Erwärmung am stromabwärtigen Ende der Düse zu vermeiden.
Die Erfindung hat schließlich einen Brenner zum Gegenstand, der mit wenigstens einer Brennerdüse ausgestattet ist, die eine Zuleitung für einen flüssigen Brennstoff vom Typ Heizöl, die mindestens eine Innenwand aufweist, und eine Zuleitung für ein Zerstäubungsfluid umfasst, die in Bezug auf die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff konzentrisch angeordnet ist, die insofern bemerkenswert ist, als sie mindestens einen Diffusor enthält.
Der zuvor beschriebene Brenner hat unbestreitbare Vorteile. Außer, dass er viel weniger NO_x als bisher in der Brennkammer, beispielsweise eines Ofens, erzeugt, wird sein Betrieb mit einem viel geringeren Durchfluss des Zerstäubungsfluids sichergestellt, was eine breitere und flexiblere Verwendung des Verbrennungsmittels und daher am Ende unter energetischen Gesichtspunkten bessere Ergebnisse ermöglicht.
Die Erfindung lässt sich auf alle Gestaltungstypen von Öfen, insbesondere von Glasschmelzöfen wie U-Flammenwannenöfen, Öfen mit Querbrennern und mit Feuerwechsel arbeitende Öfen, anwenden. Sie lässt sich insbesondere zur Senkung der NO_x Emissionen anwenden.
Schließlich ergänzt sie sehr vorteilhafterweise das in der weiter oben genannten französischen Patentanmeldung FR 2 750 977 und internationalen Patentanmeldung WO 9802386 beschriebene Verfahren, das insbesondere zu der Technologie gehört, die von der Gesellschaft SAINT-GOBAIN VITRAGE unter der Bezeichnung "FENIX" entwickelt worden ist.
Weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Merkmale und Einzelheiten werden anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Figuren näher erläutert, wobei
1 einen schematischen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennerdüse und
2 einen vertikalen Schnitt durch eine Wand eines Glasschmelzofens, die einen Brenner enthält, der mit der Brennerdüse von 1 ausgestattet ist, zeigt.
Dabei ist zunächst festzustellen, dass aus Gründen der Verdeutlichung die 1 und 2 schematisch und in ihnen die Proportionen zwischen den einzelnen Teilen nicht eingehalten sind.
In 1 ist ein Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennerdüse 1 dargestellt.
Diese Brennerdüse 1 setzt sich aus zwei Fluidzuleitungen zusammen, nämlich der Zuleitung 2 für den flüssigen Brennstoff bzw. derjenigen 3 für das Zerstäubungsfluid.
Der erfindungsgemäß verwendete flüssige Brennstoff ist ein flüssiger fossiler Brennstoff, wie er üblicherweise in den Verbrennungsanlagen zum Erhitzen von Glasrohstoffen in einem Glasschmelzofen eingesetzt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein schweres Heizöl handeln. Das Zerstäubungsfluid ist ebenfalls dasjenige, das man gewöhnlich in den üblichen Anlagen vorfindet und zur Zerstäubung dieses flüssigen Brennstoffs dient. Es kann beispielsweise Luft sein (und wird in diesem Fall als Hauptluft bezeichnet, im Gegensatz zur Nebenluft, die als Hauptverbrennungsmittel dient). Dabei kann es sich auch um Sauerstoff (bei einer Sauerstoffverbrennung) oder Dampf handeln.
Die Zuleitungen für den flüssigen Brennstoff und das Zerstäubungsfluid sind jeweils stromaufwärts in Strömungsrichtung des jeweiligen der beiden Fluids an eine Leitung angeschlossen, die von einer Quelle für den flüssigen Brennstoff bzw. von einer Quelle für das Zerstäubungsfluid kommt, die nicht dargestellt sind.
Die Zuleitung 2 für den flüssigen Brennstoff besteht im Wesentlichen aus einem zylindrischen Rohr 21, auf dessen Ende eine Düse 22 geschraubt ist.
Diese umfasst an ihrem stromabwärtigen Ende eine kegelstumpfförmige Verwirbelungskammer 23, die von einem Ansatz 24 mit zylindrischer Innenwand 25 verlängert wird. Der Scheitelwinkel θ der Verwirbelungskammer 23 beträgt 60° und wurde aus dem weiter unten erläuterten Gründen so gewählt.
In der Düse 22 befindet sich ein Zylinder 4 angeordnet, der an die Verwirbelungskammer 23 anschlagend dicht angebracht ist.
Der Zylinder 4 enthält Kanäle 41, die über seinen Umfang gleichmäßig verteilt sind, und weist zwei Seiten 42, 43 auf, die zueinander parallel und im Wesentlichen senkrecht zur Zuleitungsrichtung des flüssigen Brennstoffs stehen, die in 1 durch den Pfeil f symbolisiert und mit derjenigen des Zerstäubungsfluids identisch ist.
Die Kanäle 41 sind zylindrisch und ihre Erzeugende bildet einen Winkel α von 20° mit dieser Richtung.
Die Zuleitung 3 für das Zerstäubungsfluid umfasst im Wesentlichen ein zylindrisches Rohr 31, auf dessen Ende ein Düsenstein 32 geschraubt ist, dessen innerer Absatz 33 auf das stromabwärtige Ende des Rohrs 31 zur Auflage kommt.
Der Düsenstein 32 ist mit einer Öffnung 34 durchbohrt, deren Form das Einfügen eines Teils der Düse 22 erlaubt.
Der Düsenstein 32 besitzt auch auf der Seite der Öffnung 34 einen vorstehenden Teil 35, der durch Anschrauben des Düsensteins 32 an das zylindrische Rohr 31 die Sicherstellung einer perfekten Selbstzentrierung der Außenwand 26 des Ansatzes 24 in der Öffnung 34 erlaubt.
Anders ausgedrückt wird aufgrund ihrer komplementären Formen die konzentrische Anordnung der zwei zuvor genannten Elemente 26, 34 perfekt sichergestellt, wodurch, wie weiter unten erläutert wird, verhindert wird, dass eine unerwünschte Modifizierung der Größenverteilung der Tröpfchen aus flüssigem Brennstoff am Ausgang der Zuleitung 2 auftritt.
Das Maß d des Teils des Düsensteins 32, der sich in Kontakt mit dem zylindrischen Rohr 31 befindet, muss derart mit Genauigkeit berechnet werden, dass die Ausrichtung des Endteils 36 der Düse in der Ebene (Π) perfekt realisiert wird. Diese Ebene Π ist diejenige, die von der Außenseite 37 des Düsensteins gebildet wird, d.h. diejenige, die keinen Kontakt mit dem Zerstäubungsfluid hat und in welcher die Öffnung 34 mündet.
Eine solche Anordnung trägt dazu bei, die Aerodynamik der zwei Fluids am Ausgang ihrer jeweiligen Zuleitung zu bewahren.
In 2 ist ein vertikaler Schnitt durch eine Wand eines Glasschmelzofens gezeigt, die einen Brenner 5 enthält, der mit der Brennerdüse von 1 ausgestattet ist.
In dieser speziellen Gestaltung ist zu sehen, dass der Brenner 5 eine Halterung 6 enthält, die in Neigung, Richtung und Translation einstellbar ist.
Auf dieser einstellbaren Halterung 6 ist die Brennerdüse 1 befestigt, die auf den Wänden eines Brennersteins 7 aus feuerfestem Material über eine mit Kühlrippen versehene Platte 8 zur Auflage kommt. Der Brennerstein 7 aus feuerfestem Material ist seinerseits in einer Öffnung der Wand 9 des Ofens angebracht.
Der Brenner 5 enthält auch eine zu dieser Platte gerichtete Belüftungsdüse 10.
Schließlich sind zwei Zuleitungsschläuche 11, 12 zu sehen, die jeweils an eine nicht dargestellte Quelle für den flüssigen Brennstoff bzw. das Zerstäubungsfluid angeschlossen sind. Anschließend wird die Funktionsweise des Brenners erläutert.
Beim Durchströmen des Zylinders 4 wird der flüssige Brennstoff, der über das zylindrische Rohr 21 zugeführt wird, in so viele einzelne Strahlen zerteilt, wie tangentiale Kanäle 41 vorhanden sind.
Die einzelnen Strahlen gelangen dann in die Verwirbelungskammer 23, wobei sie auf deren Wände auftreffen, mit einem Minimum an Druckverlust aufgrund der Tatsache, dass der Scheitelwinkel θ 60° beträgt.
Die gleichmäßige Verteilung der tangentialen Kanäle 41 und die Neigung α von 20° der Erzeugenden über den gesamten Umfang des Zylinders 4 jedes dieser Kanäle haben eine Zentrifugierung aller einzelnen Strahlen auf die Wand der Verwirbelungskammer 23 zur Folge, ohne dass sie sich dabei gegenseitig beeinflussen.
Dieses Zentrifugieren in der Verwirbelungskammer trägt stromabwärts dazu bei, dass der Brennstoff einen schraubenförmigen Weg verfolgt, wobei er in die Form eines Hohlstrahls gebracht wird, der praktisch perfekt an der Innenwand 25 des Ansatzes 24 entlangführt.
Nach dem Austreten aus dem Ansatz 24 hat der flüssige Brennstoff so eine maximale mechanische Energie angenommen und zerplatzt unter dem Einfluss des Zerstäubungsfluids zu sehr feinen Tröpfchen, deren Größenverteilung optimal ist. Durch eine solche Verteilung wird die Flamme, die den Brenner verlässt, nach Aktivierung durch das Hauptverbrennungsmittel über ihre gesamte Länge in der Temperatur sehr gleichmäßig.
Außerdem wird durch eine solche Zerstäubung des Brennstoffs bei ein und demselben Brennstoffdurchfluss, die Flamme im Vergleich mit einer Zerstäubung, die von derselben Brennerdüse 1 ohne Zylinder 4 verursacht würde, beträchtlich verlängert.
Die Abmessungen des Zylinders 4 müssen derart gestaltet werden, dass dessen Ausfüllung niemals erreicht und erfindungsgemäß immer ein Hohlstrahl erhalten wird, der im Wesentlichen an dieser Innenwand entlangführt.
Die verschiedenen Parameter, die Anzahl, Neigung α und Abmessungen der Kanäle 41 sind, müssen in Abhängigkeit vom gewünschten Durchfluss der Brennerdüse 1 ermittelt werden.
Dieser gewünschte Durchfluss wird seinerseits aus dem Ofentyp, in welchem die Brennerdüse eingebaut werden soll, von dessen Betriebsparametern wie Durchsatz, sowie dem Charakter des verwendeten flüssigen Brennstoffs bestimmt.
Selbstverständlich können diese Werte empirisch problemlos vom Fachmann ermittelt werden, der auch durch Versuche Nomogramme aufstellen kann.
Der Fachmann wird auch den Oberflächenzustand der Verwirbelungskammer, der Kanäle bzw. des Ansatzes der Innenwände derart sorgfältig auswählen, dass ein Minimum an Druckverlusten sichergestellt wird, die durch Reibungsvorgänge des/der Strahls/Strahlen aus flüssigem Brennstoff, welche/r diese Bauteile mit hoher Geschwindigkeit überstreicht/überstreichen, verursacht werden.
Die Konstruktion der beschriebenen Brennerdüse ist einfach und nicht teuer. Sie ist außerdem integral, leicht demontierbar und lässt sich an bereits existierende Anlagen anpassen.
Der weiter oben beschriebene Ofen gibt viel weniger NO_x ab, ohne dass eine verminderte Verbrennung zu befürchten ist, die gegebenenfalls für den Farbton des Glases schädlich wäre.
Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren und der erfindungsgemäße Brenner sind besonders für die Herstellung von Glas mit hoher Qualität, insbesondere von optischem Glas, wie durch das Floatglasverfahren hergestelltem Flachglas geeignet.
Die Erfindung lässt sich insbesondere auf Brennstoffe vom Typ schweres Heizöl anwenden und erlaubt es, sehr große Durchflüsse (500 bis 600 kg/h) dieses Typs eines Brennstoffs durch eine einzige erfindungsgemäße Brennerdüse strömen zu lassen.
Selbstverständlich können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen, nämlich eine Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs, der in die Form eines Hohlstrahls gebracht worden ist, unmittelbar bevor er abgegeben wird, mittels eines Zerstäubungsfluids wie Luft, dessen Führung derart sichergestellt wird, dass es ausschließlich in der Achse der Innenwand der Zuleitung für den Brennstoff ohne eine schraubenförmige Komponente austritt.

Claims

Brenner (5), der mit mindestens einer Brennerdüse (1) ausgestattet ist, die eine Zuleitung (2) für einen flüssigen Brennstoff vom Typ Heizöl, die mindestens eine Innenwand (25) aufweist, und eine Zuleitung (3) für ein Zerstäubungsfluid umfasst, die in Bezug auf die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff konzentrisch angeordnet ist, wobei die Zuleitung (2) für den flüssigen Brennstoff eine Düse (22) für die Abgabe des flüssigen Brennstoffs enthält, die Zuleitung für das Zerstäubungsfluid in einem Düsenstein (32) endet, der mit einer Öffnung (34) durchbohrt ist, aus welcher das Zerstäubungsfluid strömt, mindestens ein Teil der Düse in diesen Düsenstein eingefügt ist und die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff mindestens ein Mittel (4) enthält, um den flüssigen Brennstoff in die Form eines Hohlstrahls zu bringen, der im Wesentlichen entlang der Innenwand führt, unmittelbar bevor er von seiner Zuleitung abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Endteil (36) der Düse in der Ebene ausgerichtet ist, die von der Seite des Düsensteins gebildet wird, die keinen Kontakt mit dem Zerstäubungsfluid hat und auf welcher die Öffnung mündet.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff mindestens ein zylindrisches Rohr (21) umfasst, an welchem die Düse befestigt ist.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse am stromabwärtigen Ende eine Verwirbelungskammer (23) mit kegelstumpfförmiger Gestalt umfasst, die von einem Ansatz (24) verlängert wird, dessen Innenwand (25) zylindrisch ist.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel θ der Verwirbelungskammer mindestens 30° und vorzugsweise 60° beträgt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel mindestens ein Element (4) umfasst, dass die Zuleitung für den flüssigen Brennstoff im Wesentlichen verschließt und mit insbesondere zylindrischen Kanälen (41) durchbohrt ist, die in Bezug auf die Richtung der Zuleitung für den flüssigen Brennstoff schräg stehen.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle über den Umfang des Elements gleichmäßig verteilt sind.
Brenner nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein Zylinder ist, vorzugsweise mit zwei Seiten (42, 43), die im Wesentlichen zueinander parallel stehen.
Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugende der Kanäle einen Winkel α von mindestens 10°, insbesondere 15 bis 30°, und vorzugsweise von gleich 20° mit der Zuleitungsrichtung des flüssigen Brennstoff bildet.
Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element vor der Düse dicht in der Zuleitung für den flüssigen Brennstoff, vorzugsweise an die Verwirbelungskammer anstoßend, angebracht ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitumg (3) für das Zerstäubungsfluid mindestens ein zylindrisches Rohr (31) umfasst, an dessen Ende, vorzugsweise durch Verschrauben, der mit einer Öffnung (34) durchbohrte Düsenstein (32) befestigt ist.
Brenner nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (34) des Düsensteins und die Außenwand (26) des Teils der Düse, der in ihm eingebaut ist, zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerdüse (1) mittels einer Dichtungseinrichtung, die eine mit Kühlrippen versehene Platte (8) umfasst, dicht in einem Brennerstein (7) aus feuerfestem Material angebracht ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er außerdem eine einstellbare Halterung (6) umfasst, auf welcher die Brennerdüse und eine Düse (10) für ein Beluftungsfluid, die zum stromabwärtigen Ende der Brennerdüse zeigt, befestigt sind.
Verbrennungsverfahren, das insbesondere für das Erschmelzen von Glas angewendet wird, in welchem die Zufuhr von Brennstoff von mindestens einem Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche sichergestellt wird.
Anwendung des Verfahrens nach dem vorhergehenden Anspruch oder Verwendung des Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Senkung der NO_x Emission, insbesondere eines Glasschmelzofens.