EP0374423A2 - Atmosphärischer Brenner - Google Patents

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EP0374423A2
EP0374423A2 EP89119591A EP89119591A EP0374423A2 EP 0374423 A2 EP0374423 A2 EP 0374423A2 EP 89119591 A EP89119591 A EP 89119591A EP 89119591 A EP89119591 A EP 89119591A EP 0374423 A2 EP0374423 A2 EP 0374423A2
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EP
European Patent Office
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opening
burner
tube
fuel
pipe
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89119591A
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English (en)
French (fr)
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EP0374423A3 (de
Inventor
Dieter Dipl.-Chem. Fischer
Klaus Krüger
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John Zink GmbH
Original Assignee
John Zink GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by John Zink GmbH filed Critical John Zink GmbH
Publication of EP0374423A2 publication Critical patent/EP0374423A2/de
Publication of EP0374423A3 publication Critical patent/EP0374423A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D14/48—Nozzles
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    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F23L7/005—Evaporated water; Steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00011—Burner with means for propagating the flames along a wall surface

Definitions

  • the present invention relates to an atmospheric burner with a feed device for preferably gaseous fuel, which has at least one feed opening which is arranged substantially centrally in the opening area of a pipe open at the end, the fuel flowing axially into the pipe under pressure and combustion air according to the Venturi principle drawn in through the pipe opening and, together with the combustion air, emerges from a burner nozzle which is connected to the other end of the pipe.
  • a feed device for preferably gaseous fuel which has at least one feed opening which is arranged substantially centrally in the opening area of a pipe open at the end, the fuel flowing axially into the pipe under pressure and combustion air according to the Venturi principle drawn in through the pipe opening and, together with the combustion air, emerges from a burner nozzle which is connected to the other end of the pipe.
  • Such burners have been known for a long time. These are used, for example, in furnaces or reactors to generate high temperatures in order to crack heavy petroleum fractions. For example, such burners are used in the production of ethylene.
  • a combustible gas is generally used as fuel, to which a certain amount of combustion air is supplied and which generates the required high temperatures when it is burned. Burners have proven their worth and have largely established themselves, which suck in the required combustion air according to the Venturi principle.
  • the burner is essentially designed as a tube which is open at one end and has a burner nozzle at its other end.
  • a feed device with a feed opening for fuel or with a fuel nozzle is arranged centrally in front of the open end face. Through this opening, the gas used, for example, for combustion flows axially into the burner tube under a pressure of a few atmospheres and thereby pulls the necessary air with it.
  • the amount of air sucked in according to the Venturi principle can be varied in many ways, for example by changing the distance of the supply opening from the pipe opening, by changing the free cross sections of the supply opening and / or pipe, changing the fuel pressure or throttling devices for the air feed to the burner.
  • the present invention has for its object to provide a burner with the features mentioned above, which is able to produce a flue gas which has significantly reduced NO x contents despite maintaining the high combustion chamber temperatures and without flue gas scrubbing.
  • Flue gas recirculation is known in principle in other combustion processes, but not for the burners to which the present invention relates. It is also important that the flue gas recirculation opens into the area of the pipe opening of such a burner. This leads to the fact that the flue gas in the Venturi tube is mixed very well with the combustion air and the fuel, so that a surprisingly strong reduction in the NO x values is obtained.
  • the cross section of the feed opening for the fuel is at most one hundredth of the cross section of a cylindrical tube part.
  • the feed opening expediently has a circular cross section. If the aforementioned cross-sectional ratio is observed, this means that the diameter of the feed opening is at most one tenth of the inner diameter of the cylindrical tube part.
  • the feed opening must not become too small, since otherwise the emerging fuel jet is too thin and therefore has too little kinetic energy to entrain combustion air to a sufficient extent and to eject it from the burner nozzle under sufficient pressure relative to the burner chamber.
  • This funnel-shaped approach advantageously has a streamlined, convexly curved inner wall.
  • the distance of the feed opening for the fuel from the free pipe end or the funnel-shaped pipe extension also represents represents an optimization parameter, but this feed opening is always in the closer region of the opening of the tube or the tube attachment and is advantageously axially adjustable.
  • An embodiment of the invention contributes to the further reduction of the NO x values, in which the feed device has a further feed opening for water vapor in addition to the feed opening for fuel.
  • the additional mixing of the fuel / air mixture with water vapor reduces the NO x content by a further 20 to 30%. It is sufficient if the mass of the water vapor supplied is one tenth of the fuel mass supplied.
  • An embodiment of the invention in which the hydrogen opening is arranged in a ring and concentrically with a circular fuel opening is particularly advantageous. This ensures good and uniform mixing across the entire cross-section of the burner tube.
  • the water vapor supply according to the invention already contributes to a reduction in the NO x values even without maintaining the above-mentioned length-to-diameter ratio of the venturi tube.
  • An embodiment of the invention is preferred in which two funnels which are axially aligned and spaced apart are provided in the opening region of the tube.
  • the fuel emerging from the supply opening initially enters the first funnel axially and, in accordance with the Venturi principle, entrains combustion air which then together with the fuel jet also enters the second funnel located at a distance, which connects directly to the Venturi tube or as funnel-shaped tube extension is formed on the Venturi tube.
  • Flue gas for example, can be supplied through the annular gap formed between the two funnels and is likewise sucked in by the central fuel jet through this annular gap.
  • the combustion air can also be drawn in through the annular gap while the flue gas is already being drawn into the first funnel.
  • the space surrounding the annular gap is preferably closed off from the outside and connected to a flue gas return line. This is the best way to control the flue gas supply.
  • flow guide vanes are provided in the interior of the burner nozzle.
  • Flow guide vanes of this type can also be provided in the end region of the venturi tube adjoining the burner nozzle, since the venturi tube and the burner nozzle merge more or less continuously into one another and the part lying in front of the outlet openings of the burner nozzle can also be considered as part of the venturi tube.
  • the burner according to the invention can be designed both as a side wall burner and as a floor burner. The differences between these two types are explained in connection with the preferred embodiments.
  • FIG. 1 shows the essential elements of the burner.
  • This essentially consists of a fuel supply device 1, a burner tube or Venturi tube 5 and a burner nozzle 6.
  • the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is a so-called side Wall burner, the nozzle 6 is closed at the end and has lateral slots 8, of which only one is shown as an example in Figures 1 and 2.
  • the burner is inserted into a corresponding opening in the side wall of a furnace and just protrudes with its nozzle 6 into the interior of the furnace such that the fuel mixture emerging from the slots 8 of the nozzle 6 burns in a flame close to the side wall of the furnace .
  • the burner tube 5 consists essentially of an inlet funnel 15, a cylindrical portion 5 'and a conical extension 5', which in turn merges into a more or less cylindrical part, which connects to the nozzle 6.
  • the area around the inlet funnel 15 and the interior thereof are referred to as the opening area 3 of the tube 5.
  • the opening area is the fuel supply device 1 or its fuel opening 2, which is arranged directly in front of, ie at a distance between 0 and 10 mm, the plane of the outer edge of the inlet funnel 15.
  • the feed opening 2 is preferably of circular cross-section and is aligned as precisely as possible axially to the tube 5, so that the emerging fuel jet enters the tube 5 as precisely as possible along the axis.
  • the fuel nozzle of the feed device 1 in the tip of which the feed opening 2 is arranged, is displaceable in the longitudinal direction, so that its distance from the inlet funnel 15 can be changed. If necessary, adjustment means for the axial alignment of this fuel nozzle can also be provided.
  • the inlet funnel 15 follows a cylindrical tube part 5 ', the length L is at least seven times its inner diameter D. In the dimensions shown in Figure 1, the ratio of length to inner diameter of the tube part 5 'is about 9.
  • the fuel emerges from the feed opening 2 under a pressure of a few bar, for example 2.5 bar, and axially enters the pipe 5 through the inlet funnel 15 at a relatively high speed and with corresponding kinetic energy and tears there at through the free, front opening of the inlet funnel 15 combustion air with it, which is already turbulently mixed in the pipe part 5 'with the fuel jet and after passage through the conical extension 5 ⁇ enters the nozzle 6 at reduced speed.
  • the remaining kinetic energy of the fuel / air mixture is sufficient for a slight excess pressure in the nozzle 6, so that this mixture flows out of the slots 8 and burns in the radial direction and parallel to the side wall of the furnace in which the burner is arranged.
  • flow guiding devices 21 are arranged, which ensure that even with variation of the fuel quantity and speed emerging from the supply opening 2, a favorable inflow of the slots 8 in the Burner nozzle 6 is achieved without a so-called "kickback", ie a burning process inside the nozzle and the tube 5.
  • FIG. 2 The burner shown in FIG. 2 is essentially identical to the burner shown in FIG. 1, but FIG. 2 shows some additional components and a special embodiment of the feed device 1 for the fuel.
  • the parts of the burner outside the furnace wall are shown interrupted and in reality have a length which corresponds to the burner shown in Figure 1.
  • the part of the tube 5 lying outside the furnace wall is surrounded by a housing 14 which can be fastened to the outer furnace wall.
  • This burner housing 14 serves as a supply of secondary air and can be regulated via position 12.
  • a soundproofing device 13 is arranged, the front wall 11 of which is firmly connected to the burner housing 14, so that the fuel supply device 1 can be attached to it.
  • the fuel supply device 1 has a central fuel line 9 which runs in a dashed line coaxially inside a steam line 10. These two lines 9, 10 open like a nozzle in a central burner Material opening 2 and a coaxially surrounding steam opening 7. With such a fuel supply device, water vapor under pressure is also blown axially into the burner tube 5 at the same time as the gaseous fuel.
  • the diameter of the fuel opening 2 is preferably slightly less than a tenth of the diameter D of the cylindrical tube part 5 '. This applies to all embodiments of the fuel supply device 1.
  • the cross section of the steam opening 7 surrounding the fuel opening 2 in a ring can also be kept small, so that the outside diameter of the steam opening 7 is only insignificantly larger than the diameter of the fuel opening 2.
  • the ratio of the cross section of the annular steam opening 7 to the central fuel opening 2 also determines the relative speed between the fuel jet and the steam jet, this being additionally can be varied by supplying steam and gas at different pressures.
  • FIG. 3 shows schematically how hot flue gas is drawn out of the combustion chamber 17 through a flue gas pipe 16 and fed to the opening area of the pipe 5 of the burner.
  • a double funnel 15, 15 ' is provided in the opening area of the tube 5, the exact design of which can be seen in FIG.
  • the flue gas pipe 16 opens into a closed chamber 20 which, apart from the flue gas pipe mouth, has only a central opening which is aligned with the opening of the funnel 15 which is attached to the pipe part 5 '.
  • This rear opening of the chamber 20 is ring-shaped, since a funnel 15 'is aligned with the axis of the tube 5' in the chamber 20, so that in the rear wall of the chamber 20 (seen in the direction of flow) between the outlet opening of the funnel 15 'and the An annular gap remains open through the inlet opening of the funnel 15 which the flue gas can flow into the funnel 15 and the tube 5.
  • the chamber 20 can have a cylindrical cross section and have flow guide vanes or the like in the interior and thus act as a flue gas distributor so that the inflow of flue gas through the said annular gap takes place from all sides as evenly as possible.
  • the fuel opening of the feed device 1 corresponds to the embodiments of Figures 1 or 2 and is correspondingly arranged at a close distance from the plane of the front edge of the funnel 15 '.
  • FIGS. 3 and 5 a secondary air register 18 arranged on the housing 14 and having inlet openings 19 through which secondary air for combustion can be supplied to the furnace chamber 17 past the pipe 5 and the nozzle 6.
  • FIG. 4 shows a so-called floor burner, the design of which, with the exception of the burner nozzle 6, can be very similar to the side wall burners.
  • the cylindrical part of the tube 5 of the floor burner is shown in FIG. 4 even longer than the corresponding tube part 5 'of the aforementioned side wall burner and merges practically directly into the nozzle 6.
  • the funnel at the lower pipe opening, the fuel supply device 1 and its relative arrangement to the pipe 5 as well as the housing 14, sound insulation 16 and the other parts connected to it are largely identical to those of the side wall burners mentioned above.
  • the exact design of the nozzle 6 'of the floor burner can be seen in Figures 6 and 7.
  • the nozzle 6 ' has the basic shape of a flat cylinder sector with an opening angle of approximately 90 °, nozzle openings 8' being provided in the jacket region of this cylinder sector, from which the fuel / air mixture emerges, which, as in the case of the side wall burners, may also contain flue gas and / or water vapor can be mixed.
  • FIG. 4 it can be seen how such a floor burner is arranged in a bottom recess of an oven, from FIG. 7 it can be seen that the floor burner is arranged directly next to a wall 22 of the furnace.
  • the individual nozzle openings 8 'of the nozzle 6' are arranged in certain relative angles to one another and with different diameters in two rows, as can be seen from Figure 6 and Figure 7.
  • Burners in the embodiments described here have the advantageous property that the exhaust gases generated when they are used as intended have a relatively low NO x content, which is particularly low if several of the features proposed are realized at the same time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen atmosphärischen Brenner mit einer Zufuhreinrichtung (1) für vorzugsweise gasförmigen Brennstoff, die mindestens eine Zufuhröffnung (2) aufweist, welche im wesentlichen zentral im Öffnungsbereich (3) eines stirnseitig offenen Rohres (5) angeordnet ist, wobei der Brennstoff unter Druck axial in das Rohr (5) einströmt und dabei Verbrennungsluft nach dem Venturiprinzip durch die Rohröffnung (4) ansaugt und gemeinsam mit der Verbrennungsluft aus einer sich am Ende des Rohres (5) anschließenden Brennerdüse (6) austritt. Um einen Brenner vorzusehen, da trotz hoher Brennraumtemperaturen ein Rauchgas erzeugt, welches ohne weitere Behandlung und ohne Rauchgaswäsche deutlich verminderte NOx-Werte im Bereich von z.B. 100 mg/m³ erhält, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine Rauchgasrückführleitung (16) im Öffnungsbereich des Rohres (5) mündet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen atmosphärischen Bren­ner mit einer Zufuhreinrichtung für vorzugsweise gasförmigen Brennstoff, die mindestens eine Zufuhröffnung aufweist, welche im wesentlichen zentral im Öffnungsbereich eines stirnseitig offenen Rohres angeordnet ist, wobei der Brennstoff unter Druck axial in das Rohr einströmt und dabei Verbrennungsluft nach dem Venturiprinzip durch die Rohröffnung ansaugt und gemeinsam mit der Verbrennungsluft aus einer sich am anderen Ende des Rohres anschließenden Brennerdüse austritt.
  • Derartige Brenner sind seit langem bekannt. Diese werden bei­spielsweise eingesetzt in Öfen bzw. Reaktoren zur Erzeugung hoher Temperaturen, um schwere Erdölfraktionen zu kracken. Zum Beispiel werden solche Brenner bei der Ethylenherstellung verwendet.
  • Als Brennstoff dient dabei im allgemeinen ein brennbares Gas, dem eine bestimmte Menge an Verbrennungsluft zugeführt wird und welches bei seiner Verbrennung die erforderlichen hohen Temperaturen erzeugt. Dabei haben sich Brenner bewährt und auch weitgehend durchgesetzt, welche nach dem Venturiprinzip die benötigte Verbrennungsluft ansaugen. Der Brenner ist dabei im wesentlichen als an einer Stirnseite offenes Rohr ausgebil­det, welches an seinem anderen Ende eine Brennerdüse aufweist. Unmittelbar vor der offenen Stirnseite ist zentral eine Zu­fuhreinrichtung mit einer Zufuhröffnung für Brennstoff bzw. mit einer Brennstoffdüse angeordnet. Durch diese Öffnung strömt das beispielsweise für die Verbrennung verwendete Gas unter einem Druck von einigen Atmosphären axial in das Brennerrohr hinein und reißt dabei die erforderliche Luft mit sich. Die so nach dem Venturiprinzip angesaugte Luftmenge kann auf viel­fältige Weise variiert werden, z.B. durch Änderung des Abstan­des der Zufuhröffnung von der Rohröffnung, durch Änderung der freien Querschnitte von Zuführöffnung und/oder Rohr, Änderung des Brennstoffdruckes oder Drosseleinrichtungen für die Luft­ zufuhr zum Brenner hin.
  • Die Anforderungen, die an derartige Brenner gestellt werden, sind zumindest teilweise widersprüchlich. So will man einer­seits eine möglichst effektive und vollständige Verbrennung des eingesetzten Brennstoffes und eine hohe Temperatur im Bren­nerraum erreichen, andererseits sollen jedoch auch die in den entstehenden Abgasen enthaltenen Schadstoffe nur in möglichst geringer Konzentration vorhanden sein. Insbesondere die zusam­menfassend kurz als NOx bezeichneten Stickstoff-Sauerstoffver­bindungen stellen dabei ein erhebliches Problem dar, da sie vor allem bci hohen Verbrennungstemperaturen in unerwünscht großen Mengen entstehen.
  • Mit den bisher bekannten Brennern der eingangs genannten Art kann man bei geeigneter Steuerung der Brennstoff- und der Luft­zufuhr erreichen, daß bei Brennraumtemperaturen, die etwa im Bereich zwischen 1100 und 1300°C liegen, ein NOx-Anteil von etwa 140 bis 180 mg pro Normal-m³ im Rauchgas vorhanden sind, bezogen auf 3 % O₂ im Rauchgas (trocken).
  • Die Gesetzgeber im In- und Ausland gehen aber zunehmend dazu über, NOx-Grenzwerte festzusetzen, die deutlich unter den bis­her erreichten Werten liegen, z.B. bei 100 mg/m³ Rauchgas. Eine Reduzierung der NOx-Werte konnte man bisher nur erreichen durch eine Nachbehandlung des Rauchgases oder aber durch In­kaufnahme einer erheblich verringerten Brennereffektivität, z.B. durch Reduzierung der Verbrennungstemperatur.
  • Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­grunde, einen Brenner mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, welcher in der Lage ist, trotz Aufrechterhaltung der hohen Brennraumtemperaturen und ohne Rauchgaswäsche ein Rauch­gas zu erzeugen, welches erheblich verringerte NOx-Anteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Rauchgasrückführ­leitung im Öffnungsbereich des Rohres mündet.
  • Zwar sind Rauchgasrückführungen bei anderen Verbrennungspro­zessen im Prinzip bekannt, jedoch nicht für die Brenner, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht. Dabei kommt es auch darauf an, daß die Rauchgasrückführung im Bereich der Rohröffnung eines solchen Brenners mündet. Dies führt dazu, daß das Rauchgas in dem Venturirohr sehr gut mit der Verbren­nungsluft und dem Brennstoff vermischt wird, so daß man hier­durch eine überraschend starke Reduzierung der NOx-Werte erhält.
  • Dabei hat es sich für die Erreichung eines möglichst geringen NOx-Gehaltes als vorteilhaft erwiesen, wenn der Querschnitt der Zufuhröffnung für den Brennstoff höchstens ein Hundertstel des Querschnittes eines zylindrischen Rohrteiles beträgt.
  • Zweckmäßigerweise hat die Zufuhröffnung kreisförmigen Quer­schnitt. Bei Einhaltung des vorgenannten Querschnittverhält­nisses bedeutet dies, daß der Durchmesser der Zufuhröffnung höchstens ein Zehntel des Innendurchmessers des zylindrischen Rohrteiles beträgt.
  • Die Zufuhröffnung darf nicht zu klein werden, da ansonsten der austretende Brennstoffstrahl zu dünn ist und damit zu wenig kinetische Energie hat, um in ausreichendem Maße Verbrennungs­luft mitzureißen und unter genügend Überdruck gegenüber dem Brennerraum aus der Brennerdüse auszustoßen.
  • Wird andererseits die Zufuhröffnung zu groß, so können die NOx-Werte im Rauchgas wieder ansteigen.
  • Zur Optimierung des Brenners trägt auch bei, daß im Öffnungs­bereich des Rohres ein trichterförmiger Rohransatz vorgesehen ist. Dieser trichterförmige Ansatz hat vorteilhafterweise eine strömungsgünstige, konvex gekrümmte Innenwand.
  • Auch der Abstand der Zuführöffnung für den Brennstoff von dem freien Rohrende bzw. dem trichterförmigen Rohransatz stellt einen Optimierungsparameter dar, wobei jedoch diese Zufuhröff­nung immer im näheren Bereich der Öffnung des Rohres bzw. des Rohransatzes liegt und in vorteilhafter Weise axial verstellbar ist.
  • Zur weiteren Reduktion der NOx-Werte trägt eine Ausführungs­form der Erfindung bei, bei welcher die Zufuhreinrichtung ne­ben der Zufuhröffnung für Brennstoff eine weitere Zufuhröff­nung für Wasserdampf aufweist. Die zusätzliche Durchmischung des Brennstoff-/Luftgemisches mit Wasserdampf reduziert den NOx-Anteil nochmals um weitere 20 bis 30 %. Dabei reicht es aus, wenn die Masse des zugeführten Wasserdampfes ein Zehntel der zugeführten Brennstoffmasse beträgt.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform der Er­findung, bei welcher die Wasserstofföffnung ringförmig und konzentrisch zu einer kreisförmigen Brennstofföffnung ange­ordnet ist. Dies stellt eine gute und gleichförmige Durchmi­schung über den gesamten Querschnitt des Brennerrohres sicher.
  • Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Wasserdampfzufuhr auch ohne das Einhalten des oben erwähnten Länge-zu-Durchmes­ser-Verhältnis des Venturirohres bereits zu einer Reduktion der NOx-Werte beiträgt.
  • Bisher wurden derartige Brenner eher im Hinblick auf eine mög­lichst platzsparende, d.h. kurze Ausführungsform gestaltet. Auch der Querschnitt und insbesondere der Querschnittverlauf des Venturirohres wurde variiert, um einen funktionsfähigen Brenner möglichst kurzer Baulänge zu erhalten. Ein Zusammenhang zwi­schen den Abgaswerten und insbesondere den NOx-Werten einer­seits und dem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis des Venturiroh­res andererseits ist dabei jedoch nicht bekannt geworden. Über­raschenderweise hat sich nun jedoch herausgestellt, daß beim Einhalten des erfindungsgemäß angegebenen Länge-zu-Durchmesser-­Verhältnissesdes Venturirohres bzw. eines Teiles von diesem zu einer drastischen Verringerung der NOx-Werte führt, die bei dem neuen Brenner nur noch bei ca. 100 mg/m³ Rauchgas liegen und diesen zumindest in Nordrhein-Westfalen in Kürze festge­schriebenen Grenzwert bei optimierten Bedingungen auch unter­schreitet.
  • Dies entspricht gegenüber herkömmlichen Brennern einer NOx-Re­duktion um 30 bis 50 %.
  • Eine naheliegende Erklärung für die überraschende Wirkung des erfindungsgemäßen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis ist nicht bekannt. Man kann jedoch vermuten, daß aufgrund der Länge des Venturirohres eine besonders intensive und gute Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft stattfindet, die demnach bei kürzeren Brennern weniger gut sein sollte, ohne daß dies jedoch bisher in der Fachwelt erkannt worden wäre.
  • Bevorzugt wird dabei eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher im Öffnungsbereich des Rohres zwei axial hintereinan­der ausgerichtete und voneinander beabstandete Trichter vor­gesehen sind. Der aus der Zufuhröffnung austretende Brennstoff tritt dabei zunächst axial in den ersten Trichter ein und reißt dabei nach dem Venturiprinzip Verbrennungsluft mit sich, die dann gemeinsam mit dem Brennstoffstrahl auch in den im Abstand dahinterliegenden zweiten Trichter eintritt, der un­mittelbar an das Venturirohr anschließt bzw. als trichterför­miger Rohransatz an dem Venturirohr ausgebildet ist. Durch den zwischen den beiden Trichtern gebildeten Ringspalt kann beispielsweise Rauchgas zugeführt werden, das ebenfalls von dem zentralen Brennstoffstrahl durch diesen Ringspalt ange­saugt wird. Ebenso kann jedoch auch durch den Ringspalt die Verbrennungsluft angesaugt werden, während das Rauchgas schon in den ersten Trichter angesaugt wird. Der den Ringspalt um­gebende Raum ist dabei vorzugsweise nach außen hin abgeschlos­sen und mit einer Rauchgasrückführleitung verbunden. Auf die­se Weise läßt sich die Rauchgaszufuhr am besten steuern.
  • Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, daß im Innern der Brennerdüse Strömungsleitschaufeln vorgesehen sind. Derartige Strömungsleitschaufeln können auch in dem an die Brennerdüse angrenzenden Endbereich des Venturirohres vorgesehen sein, da Venturirohr und Brennerdüse mehr oder weniger kontinuier­lich ineinander übergehen und der vor den Austrittsöffnungen der Brennerdüse liegende Teil auch als Teil des Venturirohres betrachtet werden kann.
  • Der erfindungsgemäße Brenner kann sowohl als Seitenwandbren­ner als auch als Bodenbrenner ausgeführt sein. Die Unterschie­de zwischen diesen beiden Typen werden im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen erläutert.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung dieser bevorzugten Ausführungsformen und der da­zugehörigen Figuren. Es zeigen:
    • Figur 1 eine Seitenansicht der wesentlichen Teile eines Sei­tenwandbrenners,
    • Figur 2 im wesentlichen den gleichen Seitenwandbrenner wie in Figur 1 jedoch mit zusätzlicher genauerer Darstel­lung der Brennstoffzufuhr sowie eines Gehäuses und einer Schalldämmung
    • Figur 3 das Prinzip eines Seitenwandbrenners mit Rezirkulation von heißem Rauchgas,
    • Figur 4 die schematische Darstellung eines Bodenbrenners,
    • Figur 5 einen Seitenwandbrenner mit doppeltem Eingangstrich­ter,
    • Figur 6 einen Querschnitt durch eine Bodenbrennerdüse und
    • Figur 7 eine Draufsicht auf die Bodenbrennerdüse nach Figur 6.
  • Figur 1 stellt die wesentlichen Elemente des Brenners dar. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Brennstoffzufuhrein­richtung 1, einem Brennerrohr oder Venturirohr 5 und einer Brennerdüse 6. Bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen sogenannten Seiten­ wandbrenner, dessen Düse 6 stirnseitig geschlossen ist und seitliche Schlitze 8 aufweist, von denen in den Figuren 1 und 2 nur einer beispielhaft dargestellt ist. Der Brenner wird in eine entsprechende Öffnung in der Seitenwand eines Ofens eingeschoben und ragt mit seiner Düse 6 soeben in das Innere des Ofens hinein, derart, daß das aus dem Schlitzen 8 der Düse 6 austretende Brennstoffgemisch in einer Flamme dicht an der Seitenwand des Ofens verbrennt. Das Brennerrohr 5 besteht im wesentlichen aus einem Einlaßtrichter 15, einem zylindrischen Abschnitt 5′ sowie einer konischen Erweiterung 5˝, die wiede­rum in ein mehr oder weniger zylindrisches Teil übergeht, wel­ches an die Düse 6 anschließt. Als Öffnungsbereich 3 des Roh­res 5 wird der Bereich um den Einlaßtrichter 15 herum sowie das Innere desselben bezeichnet. In diesem Öffnungsbereich befindet sich die Brennstoffzufuhreinrichtung 1 bzw. deren Brennstofföffnung 2, die unmittelbar vor, d.h. im Abstand zwi­schen 0 und 10 mm, der Ebene der Außenkante des Einlaßtrich­ters 15 angeordnet ist.
  • Die Zufuhröffnung 2 ist vorzugsweise von kreisförmigem Quer­schnitt und ist möglichst exakt axial zu dem Rohr 5 ausge­richtet, so daß der austretende Brennstoffstrahl möglichst genau entlang der Achse in das Rohr 5 eintritt. Die Brenn­stoffdüse der Zufuhreinrichtung 1, in deren Spitze die Zufuhr­öffnung 2 angeordnet ist, ist in Längsrichtung verschiebbar, so daß ihr Abstand zum Einlaßtrichter 15 geändert werden kann. Gegebenenfalls können auch Justiermittel zur axialen Ausrich­tung dieser Brennstoffdüse vorgesehen werden. An den Einlaß­trichter 15 schließt sich ein zylindrischer Rohrteil 5′ an, dessen Länge L mindestens das Siebenfache seines Innendurch­messers D beträgt. Bei den in Figur 1 dargestellten Abmes­sungen beträgt das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser des Rohrteiles 5′ etwa 9.
  • Der Brennstoff tritt unter einem Druck von einigen Bar, z.B. 2,5 bar, aus der Zufuhröffnung 2 aus und durch den Einlaß­trichter 15 mit relativ hoher Geschwindigkeit und entsprechen­der kinetischer Energie axial in das Rohr 5 ein und reißt da­ bei durch die freie, stirnseitige Öffnung des Einlaßtrichters 15 Verbrennungsluft mit sich, welche bereits im Rohrteil 5′ turbulent mit dem Brennstoffstrahl vermischt wird und nach dem Durchgang durch die konische Erweiterung 5˝ unter reduzier­ter Geschwindigkeit in die Düse 6 eintritt. Die verbleibende kinetische Energie des Brennstoff-/Luftgemisches reicht für einen geringen Überdruck in der Düse 6 aus, so daß dieses Ge­misch in radialer Richtung und parallel zur Seitenwand des Ofens, in welcher der Brenner angeordnet ist, aus den Schlit­zen 8 ausströmt und verbrennt. In der Düse 6′ bzw. in dem an die Düse 6 anschließenden zylindrischen Endteil des Rohres 5 sind Strömungsleiteinrichtungen 21 angeordnet, die dafür sorgen, daß auch bei Variation der aus der Zufuhröffnung 2 austretenden Brennstoffmenge und -geschwindigkeit eine günsti­ge Anströmung der Schlitze 8 in der Brennerdüse 6 erzielt wird, ohne daß es zu einem sogenannten "Rückschlag", d.h. zu einem Brennvorgang im Innern der Düse und des Rohres 5 kommt.
  • Der in Figur 2 dargestellte Brenner ist mit dem in Figur 1 dargestellten Brenner im wesentlichen identisch, jedoch sind in Figur 2 einige zusätzliche Bauteile und eine besondere Aus­führungsform der Zufuhreinrichtung 1 für den Brennstoff darge­stellt. Die außerhalb der Ofenwand liegenden Teile des Bren­ners sind unterbrochen dargestellt und haben in Wirklichkeit eine Länge, welche dem in Figure 1 dargestellten Brenner ent­spricht. Der außerhalb der Ofenwand liegende Teil des Rohres 5 ist von einem Gehäuse 14 umgeben, welches an der äußeren Ofenwand befestigbar ist. Dieses Brennergehäuse 14 dient als Zuführung von Sekundärluft und kann über Position 12 reguliert werden. Um das Gehäuse 14 herum und den vorderen Teil der Brennstoffzufuhreinrichtung 1 umschließend ist eine Schall­dämmeinrichtung 13 angeordnet, deren Vorderwand 11 fest mit dem Brennergehäuse 14 verbunden ist, so daß daran die Brenn­stoffzufuhreinrichtung 1 be­festigt werden kann. Die Brennstoffzufuhreinrichtung 1 weist eine zentrale Brennstoffleitung 9 auf, welche gestrichelt ko­axial im Inneren einer Dampfleitung 10 verläuft. Diese beiden Leitungen 9, 10 münden düsenartig in einer zentralen Brenn­ stofföffnung 2 und einer diese koaxial umgebenden Dampföffnung 7. Mit einer solchen Brennstoffzufuhreinrichtung wird also gleichzeitig mit dem gasförmigen Brennstoff auch Wasserdampf unter Druck axial in das Brennerrohr 5 eingeblasen. Der Durch­messer der Brennstofföffnung 2 beträgt vorzugsweise etwas we­niger als ein Zehntel des Durchmessers D des zylindrischen Rohrteiles 5′. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Brenn­stoffzufuhreinrichtung 1. Da die zugeführte Wasserdampfmenge erheblich geringer sein kann als die zugeführte Brennstoff­menge, kann auch der Querschnitt der die Brennstofföffnung 2 ringförmig umgebenden Dampföffnung 7 klein gehalten werden, so daß der Außendurchmesser der Dampföffnung 7 nur unwesent­lich größer ist als der Durchmesser der Brennstofföffnung 2. Bei einem fest vorgegebenen Verhältnis der zuzuführenden Dampf­menge zum zugeführten Brennstoff (Massenverhältnis etwa 1:10) wird durch das Verhältnis des Querschnittes der ringförmigen Dampföffnung 7 zur zentralen Brennstofföffnung 2 auch die Re­lativgeschwindigkeit zwischen Brennstoffstrahl und Dampfstrahl festgelegt, wobei diese zusätzlich dadurch variiert werden kann, daß Dampf und Gas mit unterschiedlichem Druck zugeführt werden.
  • Die Figuren 3 und 5 beziehen sich auf eine Ausführungsform der Erfindung mit Rauchgasrezirkulation. In Figur 3 ist sche­matisch dargestellt, wie durch ein Rauchgasrohr 16 heißes Rauchgas aus dem Feuerraum 17 abgezogen und dem Öffnungsbereich des Rohres 5 des Brenners zugeführt wird. Dabei ist im Öff­nungsbereich des Rohres 5 ein Doppeltrichter 15, 15′ vorgese­hen, dessen genaue Ausführung in Figur 5 zu erkennen ist. Das Rauchgasrohr 16 mündet in einer geschlossenen Kammer 20, die außer der Rauchgasrohrmündung nur eine zentrale Öffnung auf­weist, die mit der Öffnung des am Rohrteil 5′ ansetzenden Trichters 15 fluchtet. Diese rückwärtige Öffnung der Kammer 20 ist ringförmig, da mit der Achse des Rohres 5 fluchtend ein Trichter 15′ in die Kammer 20 eingesetzt ist, so daß in der Rückwand der Kammer 20 (in Strömungsrichtung gesehen) zwi­schen der Austrittsöffnung des Trichters 15′ und der Einlaß­öffnung des Trichters 15 ein Ringspalt offen bleibt, durch welchen das Rauchgas in den Trichter 15 und das Rohr 5 ein­strömen kann. Die Kammer 20 kann zylindrischen Querschnitt haben und im Inneren Strömungsleitschaufeln oder dergleichen aufweisen und so als Rauchgasverteiler wirken, damit die Zu­strömung von Rauchgas durch den genannten Ringspalt von allen Seiten her möglichst gleichmäßig erfolgt.
  • Die Brennstofföffnung der Zufuhreinrichtung 1 entspricht den Ausführungsformen der Figuren 1 oder 2 und ist entsprechender­weise in dichtem Abstand vor der Ebene der Vorderkante des Trichters 15′ angeordnet.
  • Zusätzlich erkennt man in den Figuren 3 und 5 noch ein am Ge­häuse 14 angeordnetes Sekundärluftregister 18 mit Einlaßöff­nungen 19, durch welche außen am Rohr 5 und der Düse 6 vorbei Sekundärluft für die Verbrennung in den Ofenraum 17 zugeführt werden kann.
  • Die Figuren 4, 6 und 7 beziehen sich auf einen sogenannten Bodenbrenner, dessen Ausführung mit Ausnahme der Brennerdüse 6 den Seitenwandbrennern sehr ähnlich sein kann. Der zylindri­sche Teil des Rohres 5 des Bodenbrenners ist in Figur 4 noch länger dargestellt als der entsprechende Rohrteil 5′ der vor­genannten Seitenwandbrenner und geht praktisch unmittelbar in die Düse 6 über. Der Trichter an der unteren Rohröffnung, die Brennstoffzufuhreinrichtung 1 und ihre relative Anordnung zum Rohr 5 sowie Gehäuse 14, Schalldämmung 16 und die übrigen damit verbundenen Teile sind mit denen der oben erwähnten Sei­tenwandbrenner weitgehend identisch. Die genaue Gestaltung der Düse 6′ des Bodenbrenners ist in den Figuren 6 und 7 zu erkennen. Die Düse 6′ hat die Grundform eines flachen Zylin­dersektors mit einem Öffnungswinkel von etwa 90°, wobei im Mantelbereich dieses Zylindersektors Düsenöffnungen 8′ vorge­sehen sind, aus welchen das Brennstoff-/Luftgemisch austritt, das gegebenenfalls ebenso wie bei den Seitenwandbrennern zu­sätzlich mit Rauchgas und/oder Wasserdampf vermischt sein kann. In Figur 4 erkennt man, wie ein solcher Bodenbrenner in einer Bodenvertiefung eines Ofens angeordnet ist, wobei aus Figur 7 zu sehen ist, daß der Bodenbrenner unmittelbar neben einer Wand 22 des Ofens angeordnet ist. Die einzelnen Düsenöffnungen 8′ der Düse 6′ sind in bestimmten relativen Winkeln zueinander und mit unterschiedlichem Durchmesser in zwei Reihen angeord­net, wie aus Figur 6 und Figur 7 ersichtlich ist. Die speziel­le Anordnung gewährleistet eine gewünschte Flammenform und eine gute Steuermöglichkeit des Bodenbrenners. Brenner in den hier beschriebenen Ausführungsformen haben die vorteilhafte Eigenschaft, daß die bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung erzeugten Abgase einen relativ geringen NOx-Gehalt haben, der besonders gering ist, wenn gleichzeitig mehrere der vorge­schalagenen Merkmale verwirklicht werden.

Claims (12)

1. Atmosphärischer Brenner mit einer Zufuhreinrichtung (1) für vorzugsweise gasförmigen Brennstoff, die mindestens eine Zufuhröffnung (2) aufweist, welche im wesentlichen zentral im Öffnungsbereich (3) eines stirnseitig offenen Rohres (5) angeordnet ist, wobei der Brennstoff unter Druck axial in das Rohr (5) einströmt und dabei Verbrennungsluft nach dem Venturiprinzip durch die Rohröffnung (4) ansaugt und gemeinsam mit der Verbrennungsluft aus einer sich am Ende des Rohres (5) anschließenden Brennerdüse (6) austritt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rauchgasrückführleitung (16) im Öffnungsbereich des Rohres (5) mündet.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnung (2) kreisförmig ist.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Zufuhröffnung (2) höchstens ein Hundertstel der Querschnittsfläche eines zylindrischen Rohrteiles (5′) beträgt.
4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Öffnungsbereich (3) des Rohres (5) einen trichterförmigen Rohransatz (15) aufweist.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Zufuhröffnung (2) für den Brennstoff im Öffnungsbereich (3) des Rohres (5) mündet.
6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß neben der Zufuhröffnung (2) für Brennstoff eine weitere Zufuhröffnung (7) für Wasserdampf vorgesehen ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdampföffnung (7) ringförmig und konzentrisch zur kreisförmigen Brennstofföffnung (2) angeordnet ist.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Rohr (5) von seinem Öffnungsbereich (3) ausgehend einen im wesentlichen zylindrischen Rohrteil (5′) aufweist, dessen Länge (L) mindestens das Siebenfache seines Innendurchmessers (D) beträgt.
9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Öffnungsbereich (3) des Rohres (5) zwei axial hintereinander ausgerichtete und voneinander beabstandete Trichter (15, 15′) vorgesehen sind, wobei durch den Brennstoffstrahl, welcher aus der Zufuhröffnung (2) durch die beiden Trichter (15, 15′) und in das Rohr (5) einströmt, in den ersten Trichter (15′) Verbrennungsluft und in den zweiten Trichter (15) zusätzlich Rauchgas angesaugt wird.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß im Innern der Brennerdüse (6) und/oder in dem an die Düse (6) anschließenden Teilstück (5˝) des Rohres (5) Leitbleche (21) zur Gasführung vorgesehen sind.
11. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß er als Seitenwandbrenner ausgebildet ist.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß er als Bodenbrenner ausgestaltet ist.
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