EP0082309B1 - Keramischer Brenner für einen Winderhitzer - Google Patents
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
- F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
- F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
Definitions
- the invention relates to a ceramic burner for the combustion of a gas-air mixture, which is arranged in the lower part of a hot air burner shaft.
- the burner has inlet connections for gas and combustion air that open into the combustion shaft, with associated gas and air chambers, which merge into adjacent, vertically extending, separate gas and air slots of elongated horizontal cross section. Above the gas and air slots, the two media are mixed in one or more distribution layers and burned on the burner crown.
- Ceramic burners of this type are e.g. B. from DE-B-1 290 285 and DE-A-1 526 027 known. They are used in particular in blast furnace hot air heaters to generate the hot wind required for blast furnace operation. With them, thorough mixing and even distribution of the media can be achieved.
- a start-up process is required to heat up the cold hot water heater.
- this start-up process cannot be carried out because of a limited control range. It is therefore necessary to start up a cold gas heater, which is equipped with a ceramic burner of the type described, with a separate auxiliary burner. After the starting temperature of approx. 500-700 ° C has been reached, the auxiliary burner, which is generally a machine burner with a corresponding control range, is dismantled. The further heating of the hot water heater can then be continued with the built-in ceramic burner.
- the invention has for its object to propose a ceramic burner with which the limited control options of the previous burner can be overcome and the disadvantages, in particular with regard to the assembly and disassembly of separate auxiliary burners for the starting process and the keeping-warm mode, can be avoided.
- the advantage achieved with the invention lies in particular in the possible control of the ceramic burner in sections, which in particular makes the arrangement of separate auxiliary burners unnecessary.
- the auxiliary burner is integrated in the main burner.
- the linear heating of the hot water heater can be carried out from 20 to 1100 ° C. Of 0.5-5% of the total burner output in lean gas operation, only one gas and one air slot is applied via the separate gas and air supply lines. These feed lines measure and regulate.
- the energy-saving warming of the hot water heater in the temperature range above 600 ° C can be carried out either with lean gas or with strong gas.
- high gas and the amount of combustion air required for perfect combustion are also run through the ceramic auxiliary burner. Excess air is regulated depending on the temperature via the air slots in the main burner. It is possible to drive with an air excess of up to 150%.
- Fluctuations in gas pressure, especially during low-gas operation, can be compensated for with an automatically operating control unit that is set to the setpoint quantity.
- the ceramic auxiliary burner works together with the main burner as a unit.
- the integrated auxiliary burner can also take over the task of a pilot burner.
- gas and air slots which extend over the vertical central plane of the burner shaft and are thus elongated increase the cross section in the burner at the narrowest point by up to 30%. If cold gas and cold combustion air are used, the fan heater can be operated with less fan power. If the combustion air is preheated, it is possible due to the enlarged burner cross-section to run with the same pre-pressure of the fans, i. H. larger fans do not need to be used.
- the walls and side closures of the gas and air slots are preferably made of ceramic molded blocks and molded plates arranged one above the other. Tongue-and-groove or nub-depression elements are provided for connecting the same to one another.
- shaped blocks with projections on both sides are evenly distributed in the walls of the gas and air slots and the projections of adjacent walls are in contact with one another for support.
- the ceramic burner according to the invention can be arranged both in a hot water heater with an external and an internal combustion shaft.
- the burner according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 is arranged in the lower part of an external gas heater burner shaft 1 with a circular cross section.
- inlet connections 2, 3 for gas or combustion air open into the gas or air chamber 4, 5 arranged in the interior of the combustion chamber.
- ceramic shaped blocks or shaped plates are arranged side by side and one above the other so that they form adjacent, vertically running gas and air slots 6, 7 which are closed off from one another, the gas slots 6 only with the gas chamber 4 and the air slots 7 only with the air chamber 5 communicating.
- the ceramic shaped stones and shaped plates are connected to one another via tongue and groove elements 8, 9 or knob-recess elements 10, 11.
- the walls delimiting the gas and air slots 6, 7 with an elongated horizontal cross section rest on the burner sole 12 and extend from both sides beyond the central plane 13 of the combustion shaft. In the lower part of the burner shaft, the expansion over the central plane is limited because of the gas and air chambers 4, 5 provided there. Above the gas and air chambers, the expansion of the slots 6, 7 gradually increases to the entire burner shaft diameter, as shown in particular in FIG. 3 shows what separates the gas and air chambers 4 and 5 from the combustion shaft.
- the distributor layers of the burner crown 14 are arranged above the gas and air slots 6, 7.
- a gas slot 15 and an air slot 16 against the gas or air chamber 4, 5 and against the gas and air slots 6, 7 are closed by shaped stones 17.
- two separate gas and air slots are formed which extend from the burner sole 12 to the distributor layers of the burner crown 14.
- a gas and an air box 18, 19 are arranged below the burner sole 12, each of which is connected to the separate gas or air slot 15, 16 and from separate gas and air supply lines 20, 21 can be switched on and off and controlled with gas and air for the integrated auxiliary burner.
- the associated shut-off devices, regulating devices and quantity measuring devices are not shown.
- uniformly distributed shaped blocks 22 are arranged on the walls, which have projections 23 projecting into the slots on both sides.
- the projections of adjacent walls touch each other, giving the burner sufficient stability.
- the burner according to the invention shown in FIGS. 5 to 7 is arranged in the lower part of an internal burner shaft 1 with an oval cross section of a gas heater.
- inlet ports 2, 3 for gas and pre-combustion air open into the combustion shaft, to which a gas or air chamber 4 or 5 is connected in the interior of the combustion chamber.
- the gas and air slots 6, 7, which have an elongated horizontal cross section, extend to the firing plate 12 and extend in their horizontal extent with their free cross section beyond the central plane of the short axis 13 of the oval firing shaft cross section.
- the expansion in the lower part of the combustion shaft is limited because of the required gas and air chambers 4, 5. Above the gas and air chambers The expansion expands. gradually to the entire cross-section of the combustion chamber, as shown in particular in FIG. 7. 14 again designates the distributor positions of the burner crown and 15 and 16 a separate gas and air slot and 17 shaped blocks to close the slots 15 and 16.
- an air box 19 is arranged below the burner sole 12 and a gas box 18 (not shown) behind it, which is connected to the separate gas or air slot 15, 16 of the integrated auxiliary burner and is separate from that shown in FIG. 5 shown gas and air supply lines 20, 21 can be switched on and off and controlled with gas and air.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen keramischen Brenner für die Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches, der im unteren Teil eines Winderhitzer-Brennschachtes angeordnet ist. Der Brenner weist in den Brennschacht einmündende Eintrittsstutzen für Gas und Verbrennungsluft mit zugehörigen Gas- und Luftkammern auf, die in nebeneinanderliegende, senkrecht verlaufende voneinander getrennte Gas- und Luftschlitze von langgestrecktem horizontalen Querschnitt übergehen. Oberhalb der Gas- und Luftschlitze werden die beiden Medien in einer oder mehreren Verteilerlagen gemischt und an der Brennerkrone verbrannt.
- Keramische Brenner dieser Gattung sind z. B. aus der DE-B-1 290 285 und der DE-A-1 526 027 bekannt. Sie werden insbesondere in Hochofen-Winderhitzern zur Erzeugung des für den Hochofenbetrieb benötigten Heißwindes eingesetzt. Mit ihnen kann eine gute Durchmischung und gleichmäßige Verteilung der Medien erreicht werden. Bei der Inbetriebnahme eines Winderhitzers ist ein Anfahrvorgang erforderlich, um den kalten Winderhitzer aufzuheizen. Mit den bekannten keramischen Brennern kann dieser Anfahrvorgang wegen eines begrenzten Regelbereiches nicht durchgeführt werden. Es ist daher erforderlich, einen kalten Winderhitzer, der mit einem keramischen Brenner der beschriebenen Gattung ausgerüstet ist, mit einem separaten Hilfsbrenner anzufahren. Nach Erreichen der Anfahrtemperatur von ca. 500-700°C wird der Hilfsbrenner, bei dem es sich im allgemeinen um einen Maschinenbrenner mit entsprechendem Regelbereich handelt, abgebaut. Das weitere Aufheizen des Winderhitzers kann dann mit dem eingebauten keramischen Brenner fortgesetzt werden.
- Bei Betriebsstillständen, die kürzer als drei Monate sind, ist es vorteilhaft, den Winderhitzer nicht vollkommen kalt zu fahren, sondern auf einer Temperatur von ca. 600° C zu halten. Zur Durchführung dieses sogenannten Warmhaltebetriebes sind die gattungsgemäßen keramischen Brenner ebenfalls nicht geeignet. Dies trifft insbesondere zu, wenn bei einem Betriebsstillstand auch die Schwachgaszufuhr (Gichtgas) vom Hochofen ausfällt und nur Starkgas (Erdgas, Koksofengas) für den Warmhaltebetrieb zur Verfügung steht. Bisher war daher für den Warmhaltebetrieb der Einsatz eines zusätzlichen Warmhaltebrenners erforderlich, dessen Montage und Demontage einen erheblichen Aufwand darstellt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen Brenner vorzuschlagen, mit dem die begrenzten Steuerungsmöglichkeiten der bisherigen Brenner überwunden und die Nachteile, insbesondere im Hinblick auf die Montage und Demontage separater Hilfsbrenner für den Anfahrvorgang und den Warmhaltebetrieb, vermieden werden können.
- Diese Aufgabe wird bei einem keramischen Brenner der eingangs beschriebenen Gattung dadurch gelöst, daß zwischen den Gas- und Luftkanälen mindestens ein diesen und der Gas- und Luftkammer gegenüber abgeschlossener von der Brennersohle bis zur Brennerkrone führender Gas- und mindestens ein Luftschlitz angeordnet ist, in die unter der Brennersohle gesonderte absperrbare Zuleitungen zusätzlich Gas bzw. Luft einspeisen.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen keramischen Brenners sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere in der sektionsweise möglichen Steuerung des keramischen Brenners, wodurch sich insbesondere die Anordnung separater Hilfsbrenner erübrigt. Der Hilfsbrenner ist im Hauptbrenner intagriert.
- Mit dem integrierten keramischen Hilfsbrenner kann das lineare Aufheizen des Winderhitzers von 20 auf 1100°C durchgeführt werden. Von 0,5-5% der Gesamtbrennerleistung im Schwachgasbetrieb wird nur ein Gas- und ein Luftschlitz über die gesonderten Gas- und Luftzuleitungen beaufschlagt. In diesen Zuleitungen wird gemessen und geregelt.
- Ferner kann mit dem integrierten keramischen Hilfsbrenner das energiesparende Warmhalten der Winderhitzer im Temperaturbereich über 600° C entweder mit Schwachgas oder mit Starkgas durchgeführt werden. Beim Betrieb mit Starkgas im Bereich unter 5% der Gesamtleistung werden Starkgas und die zur einwandfreien Verbrennung erforderliche Brennluftmenge ebenfalls über den keramischen Hilfsbrenner gefahren. Luftüberschüsse werden temperaturabhängig über die Luftschlitze des Hauptbrenners geregelt. Es ist dabei möglich, mit einem Luftüberschuß bis 150% zu fahren.
- Gasdruckschwankungen, besonders beim Schwachgasbetrieb, können mit einem automatisch arbeitenden, auf Sollwertmenge eingestellten Regelorgan, ausgeglichen werden.
- Im Normalbetrieb arbeitet der keramische Hilfsbrenner zusammen mit dem Hauptbrenner als Einheit. Der integrierte Hilfsbrenner kann auch die Aufgabe eines Zündbrenners übernehmen.
- Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß durch die über die senkrechte Mittelebene des Brennschachtes hinweggeführten und dadurch langgestreckten Gas- und Luftschlitze der Querschnitt im Brenner an der engsten Stelle bis zu 30% größer wird. Werden kaltes Gas und kalte Verbrennungsluft benutzt, kann der Winderhitzer mit geringerer Ventitatorteistung gefahren werden. Wird die Verbrennungsluft vorgewärmt, so ist es aufgrund des vergrößerten Brennerquerschnitts möglich, mit gleichem Vordruck der Ventilatoren zu fahren, d. h. größere Ventilatoren brauchen nicht zum Einsatz zu kommen.
- Eine gute Durchmischung von Gas und Luft des Haupt- und Hilfsbrenners ergibt sich durch die abwechselnde Anordnung von Gas- und Luftschlitzen und die Integration der Gas- und Luftschlitze des Haupt- mit denen des Hilfsbrenners.
- Beim keramischen Brenner der Erfindung sind bevorzugt die Wände und seitlichen Abschlüsse der Gas- und Luftschlitze aus übereinander angeordneten keramischen Formsteinen und Formplatten erstellt. Zur Verbindung derselben untereinander sind Nut-Feder- bzw. Noppen-Vertiefungs-Elemente vorgesehen. tn weiterer Ausgestaltung sind Formsteine mit beidseitigen Vorsprüngen gleichmäßig verteilt in den Wänden der Gas- und Luftschlitze angeordnet und die Vorsprünge angrenzender Wände stehen zur Abstützung miteinander in Berührung.
- Der erfindungsgemäße keramische Brenner kann sowohl in einem Winderhitzer mit außenliegendem als auch mit innenliegendem Brennschacht angeordnet werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 einen horizontalen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen keramischen Brenner gemäß Linie I-I in Fig. 2, der im außenliegenden Brennschacht eines Winderhitzers angeordnet ist,
- Fig. 2 einen lotrechten Querschnitt durch den keramischen Brenner gemäß Fig. 1 nach der Linie 11-11,
- Fig. 3 einen lotrechten Querschnitt durch den keramischen Brenner gemäß Fig. 1 nach der Linie III-III,
- Fig. 4 einen horizontalen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2 und 3,
- Fig. 5 einen horizontalen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen keramischen Brenner gemäß Linie A-A in Fig. 6, der im innenliegenden Brennschacht eines Winderhitzers angeordnet ist,
- Fig. 6 einen lotrechten Querschnitt durch den keramischen Brenner gemäß Fig. 5 nach der Linie B-B,
- Fig. 7 einen lotrechten Querschnitt durch den keramischen Brenner gemäß Fig. 5 nach der Linie C-C.
- Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erfindungsgemäße Brenner ist im unteren Teil eines außenstehenden Winderhitzer-Brennschachtes 1 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet. Auf gegenüberliegenden Seiten des Brennschachtes münden Eintrittsstutzen 2, 3 für Gas bzw. Verbrennungsluft, in die im Brennschachtinneren angeordnete Gas- bzw. Luftkammer 4, 5 ein. 1m Brennschacht sind keramische Formsteine bzw. Formplatten so neben- und übereinander angeordnet, daß sie nebeneinanderliegende, senkrecht verlaufende gegeneinander abgeschlossene Gas- und Luftschlitze 6, 7 bilden, wobei jeweils die Gasschlitze 6 nur mit der Gaskammer 4 und die Luftschlitze 7 nur mit der Luftkammer 5 in Verbindung stehen.
- Wie in Fig. 4 ausschnittsweise dargestellt, sind die keramischen Formsteine und Formplatten miteinander über Feder-Nut-Elemente 8, 9 bzw. Noppen-Vertiefungselemente 10, 11 verbunden.
- Die die Gas- und Luftschlitze 6, 7 mit langgestrecktem horizontalen Querschnitt begrenzenden Wände ruhen auf der Brennersohle 12 und erstrecken sich von beiden Seiten über die Mittelebene 13 des Brennschachtes hinaus. Im unteren Teil des Brennschachtes ist die Ausdehnung über die Mittelebene begrenzt wegen der dort vorgesehenen Gas- und Luftkammer 4, 5. Oberhalb der Gas- und Luftkammern erweitert sich die Ausdehnung der Schlitze 6, 7 allmählich auf den gesamten Brennschachtdurchmesser, wie insbesondere Fig. 3 zeigt, wodurch die Gas-und Luftkammern 4 bzw. 5 vom Brennschacht abgeteilt sind. Oberhalb der Gas- und Luftschlitze 6, 7 sind die Verteilerlagen der Brennerkrone 14 angeordnet.
- Wie Fig. 1 zeigt, sind ein Gasschlitz 15 und ein Luftschlitz 16 gegen die Gas- bzw. Luftkammer 4, 5 und gegen die Gas- und Luftschlitze 6, 7 durch Formsteine 17 abgeschlossen. Auf diese Weise werden zwei von der Brennersohle 12 bis zu den Verteilerlagen der Brennerkrone 14 reichende separate Gas- und Luftschlitze gebildet. Unterhalb der Brennersohle 12 sind, wie Fig. 2 und 3 zeigen, ein Gas- und ein Luftkasten 18, 19 angeordnet, die jeweils mit dem separaten Gas- bzw. Luftschlitz 15, 16 in Verbindung stehen und von separaten Gas- und Luftzuleitungen 20, 21 zu- und abschaltbar sowie steuerbar mit Gas und Luft für den integrierten Hilfsbrenner versorgt werden. Die zugehörigen Absperrorgane, Regelorgane und Mengenmeßeinrichtungen sind nicht dargestellt.
- Zur Abstützung der die Gas- und Luftschlitze bildenden Wände untereinander sind, wie insbesondere Fig. 4 zeigt, an den Wänden gleichmä- ßigverteilte Formsteine 22 angeordnet, die beidseitig in die Schlitze ragende Vorsprünge 23 aufweisen. Die Vorsprünge angrenzender Wände berühren sich gegenseitig und geben dadurch dem Brenner ausreichende Stabilität.
- Der in den Fig. 5 bis 7 dargestellte erfindungsgemäße Brenner ist im unteren Teil eines innenliegenden Brennschachtes 1 mit ovalem Querschnitt eines Winderhitzers angeordnet. In den Brennschacht münden zu beiden Seiten der Mittelebene der kurzen Achse 13 des Brennschachtquerschnittes Eintrittsstutzen 2, 3 für Gas und Vorbrennungsluft ein, an die sich im Brennschachtinneren eine Gas- bzw. eine Luftkammer 4 bzw. 5 anschließen. Die Gas- und Luftschlitze 6, 7, die einen langgestreckten horizontalen Querschnitt haben, reichen bis zur Brennsohle 12 und erstrecken sich in ihrer horizontalen Ausdehnung mit ihrem freien Querschnitt über die Mittelebene der kurzen Achse 13 des ovalen Brennschachtquerschnitts hinaus.
- Auch bei dieser Ausführungsform ist die Ausdehnung im unteren Teil des Brennschachtes begrenzt wegen der erforderlichen Gas- und Luftkammern 4, 5. Oberhalb der Gas- und Luftkammern erweitert sich die Ausdehnung. allmählich auf den gesamten Brennschachtquerschnitt, wie insbesondere Fig. 7 zeigt. Mit 14 sind wieder die Verteilerlagen der Brennerkrone sowie mit 15 und 16 ein separater Gas- und Luftschlitz und mit 17 Formsteine bezeichnet, zum Abschließen der Schlitze 15 und 16.
- Wie Fig. 6 und 7 zeigen, ist unterhalb der Brennersohle 12 ein Luftkasten 19 angeordnet sowie ein dahinter liegender nicht dargestellter Gaskasten 18, der mit dem separaten Gas- bzw. Luftschlitz 15, 16 des integrierten Hilfsbrenners in Verbindung stehen und von separaten in Fig. 5 dargestellten Gas- und Luftzuleitungen 20, 21 zu-und abschaltbar sowie steuerbar mit Gas und Luft versorgt werden. Die zugehörigen Absperrorgane. Regelorgane und Mengenmeßeinrichtungen sind nicht dargestellt.
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