EP1893915A1 - Brenneranordnung und verfahren für deren betrieb - Google Patents

Brenneranordnung und verfahren für deren betrieb

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EP1893915A1
EP1893915A1 EP06754305A EP06754305A EP1893915A1 EP 1893915 A1 EP1893915 A1 EP 1893915A1 EP 06754305 A EP06754305 A EP 06754305A EP 06754305 A EP06754305 A EP 06754305A EP 1893915 A1 EP1893915 A1 EP 1893915A1
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EP
European Patent Office
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chamber
fuel
combustion air
temperature
combustion
Prior art date
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EP06754305A
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English (en)
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EP1893915B1 (de
Inventor
Sabine Von Gersum
Aloys Quatmann
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Elster GmbH
Original Assignee
G Kromschroeder AG
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Publication date
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Application filed by G Kromschroeder AG filed Critical G Kromschroeder AG
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Publication of EP1893915B1 publication Critical patent/EP1893915B1/de
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    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/06—Controlling two predeterming temperatures, e.g. day-night

Definitions

  • the invention relates to a burner assembly and a method for operating the burner assembly.
  • Known methods for NO x reduction are therefore based, for example, on lowering the combustion temperature to reduce NO x .
  • fuel and / or combustion air is classified, or inert exhaust gases are recirculated.
  • a burner which works with a staged combustion is described in DE 38 30 038.
  • the order of mixing is essential. For example, first the oxygen carrier gas is mixed with exhaust gas and then added to fuel.
  • the combustion intensity is reduced to the stability limit of the combustion. This can lead to problems with the cold start behavior of the burner. Due to the low combustion intensity, ignition problems, CO formation, incomplete combustion and stability problems can occur. The lower the NO x -
  • Emissions of a burner at high ambient temperatures or furnace chamber temperatures are the worse its burning behavior at low ambient temperatures or when operating with cold combustion air. Furthermore, methods for NO x reduced combustion in high temperature processes are known in which the burner operates in two different operating states.
  • the burner To start the burner and to heat the furnace chamber to an operating temperature, the burner operates in a first operating state. Upon reaching a defined conversion Switching threshold is switched to a second operating state.
  • Such a method is known, for example, from EP 0 343 746 A2.
  • the burner does not work with a combustion chamber, but combustion air and fuel are passed directly into the furnace chamber, depending on the temperature in the furnace chamber.
  • the burner is switched to a first operating state in which the fuel is supplied via a first fuel feed before entering the furnace chamber of the combustion air, wherein the resulting mixture is introduced from the wall of the furnace chamber in the latter.
  • the burner is switched to a second operating state in which the first fuel feed is closed and a second fuel feed is opened.
  • the second fuel supply opens at a predetermined distance from the combustion air supply and a predetermined distance from the wall of the furnace chamber in this.
  • a method mentioned above is also known from EP 0 685
  • the burner is switched to a first operating state.
  • fuel is supplied to a combustion chamber via a first fuel supply, which ends in the vicinity of an outlet opening of an air supply device.
  • the fuel is mixed with the supplied combustion air and the resulting mixture is ignited via an ignition electrode arranged in the chamber, whereupon it burns in the combustion chamber and heats a furnace chamber associated with the combustion chamber.
  • the burner is switched to a second operating state by closing the first fuel supply and opening a second fuel supply.
  • the second fuel supply ends approximately at the height of the outlet opening of the combustion chamber. In the second operating state, the combustion chamber is no longer supplied with fuel, so that the combustion process in the combustion chamber is substantially completely suppressed.
  • the burners necessary for carrying out the above-mentioned known methods are structurally complex, since different fuel feeds are required for the two operating states of the burner.
  • mechanical actuators are necessary to close the first fuel supply when switching to the second operating state and open the second fuel supply. The cost of such a burner is relatively high.
  • the invention has for its object to provide a method for NO x -reduced combustion available, which can be operated with a structurally simple burner.
  • the object is achieved by a method for operating a high-temperature burner, which has a chamber opening into a furnace chamber, a fuel feed opening into the chamber and an opening into the chamber combustion air supply, wherein: a) formed in the chamber, a fuel / combustion air mixture and is ignited by means of an ignition device, b) the combustion of the fuel / combustion air mixture in the chamber is maintained for a first period, c) then the fuel supply via the fuel supply for a second period of time is reduced so that the combustion stops and remains exposed wherein in the second period the temperature in the chamber drops below a first set temperature, and d) then the fuel supply is increased so that the
  • Combustion of the fuel / combustion air mixture is used on entry into the furnace chamber and maintained, the chamber is operated as a mixing chamber.
  • step a the fuel / combustion air
  • the ignition takes place via an ignition device, which can be arranged, for example, in the chamber in the vicinity of the mouth of the fuel supply.
  • the ignition device may be formed, for example, as an ignition electrode.
  • the ignition device is realized as a pilot burner, which then opens into the chamber 4.
  • the term "in the chamber” is intended to encompass both the interior of the chamber and the chamber inner wall, both gaseous and liquid fuels may be used, but the use of a gaseous fuel is preferred, in particular its use
  • combustion air is meant any oxidizer, but for cost reasons the use of air is preferred, which may be added adjuvants or auxiliary gases.
  • the chamber and the oven space is heated to above the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture used. This heating phase of the burner is referred to below as the first operating state.
  • step c) the fuel supply is reduced or closed for a second period of time so that the combustion in the chamber stops and remains suspended.
  • the first setpoint temperature is a temperature which is below the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture used in the subsequent method step.
  • the second period although the temperature in the furnace chamber decreases, but much slower than the temperature in the chamber, which causes the temperature difference between the chamber and furnace chamber increases steadily with progressing first period. It is essential in this context that when the first target temperature is not reached, the temperature in the furnace chamber is still above the ignition temperature of a fuel / combustion air to be used in step d). Mixture is. How this is achieved in detail will be described in more detail below.
  • step d which is referred to as the second operating state of the burner, the fuel supply is again increased so that forms an ignitable mixture in the chamber, this does not burn in the chamber, as the temperature of the chamber below the first setpoint temperature and thus below the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture used is.
  • the fuel / combustion air mixture used in the second operating state of the burner may be the one used in the first operating state, but it is also possible that either a different mixing ratio of fuel and combustion air or another fuel is used. Since in this second operating state, in contrast to the first operating state, no combustion takes place in the chamber, the chamber serves as a pure mixing chamber.
  • the inventive method can be operated with cold combustion air, but it is also possible that the combustion air is preheated before being fed into the chamber.
  • This can be achieved, for example, by designing the burner used in the method as a recuperative burner, i. the combustion air is preheated before being fed into the chamber with exhaust gas from the furnace chamber, or the combustion air is preheated in an external recuperator.
  • An essential advantage of the method according to the invention over known methods is that the method according to the invention can be operated with structurally very simply constructed burners.
  • the fuel supply in the first and the second operating state takes place with the same fuel supply. leadership. Since only one fuel supply is used, only one mechanical actuator for reducing or closing and increasing or opening the fuel supply must be used. Accordingly, the cost of burners operating in accordance with this method is lower than the cost of burners operating according to known methods.
  • the temperature in the furnace chamber is still above the ignition temperature of the fuel used in the second operating state / combustion air mixture.
  • the temperature in the chamber be actively lowered below the first setpoint temperature by removing heat from the chamber 4 by suitable means be shortened so that the burner can be switched faster in the second operating state, which represents the continuous operating state of the burner.
  • the temperature in the chamber is kept below the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture by actively removing heat from the chamber with at least one suitable device
  • the chamber is supplied during the second operating state, a certain amount of heat from the furnace chamber.
  • the heat is advantageously removed from the chamber by absorbing heat from the combustion air flowing through the chamber 4 or from a non-combustible fuel / combustion air mixture.
  • the heat is dissipated in this way with a means, namely the combustion air or the non-combustible fuel / combustion air mixture, without an additional Device for dissipating heat from the burner is provided.
  • a means namely the combustion air or the non-combustible fuel / combustion air mixture
  • the heat is removed from the chamber (4) by dissipating heat from the fuel / combustion air mixture flowing through the chamber (4).
  • the heat is dissipated in this way with a means, namely the fuel / combustion air mixture, which is provided without an additional means for dissipating heat from the burner.
  • the heat is dissipated with at least one cooling device which is arranged at the outer surface of the chamber.
  • a cooling device can be used both during the second period of time, ie in the case of interrupted combustion, and in the second operating state, alternatively or additionally to the heat removal with the combustion air or the non-combustible fuel / combustion air mixture and / or the Heat dissipation with the fuel / combustion air mixture.
  • a cooling device may assist in keeping the temperature in the chamber during the second operating state below the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture used.
  • One of the time periods or both periods may be predetermined periods of time.
  • predetermined period of time means that the period of time does not management of the method is set, but that the period of time is given taking into account at least one parameter of the high-temperature burner, the furnace chamber, the fuel or the combustion air. Due to the specification of the period of time, no measured values have to be determined in the method from which the time span can be derived. This has the advantage that no expensive measuring devices in the chamber or the oven room must be arranged.
  • parameters such as, for example, the calorific value of the fuel, the heat capacity or the temperature of the combustion air or the heat radiation of the chamber and the furnace chamber are suitable.
  • the first and / or the second time period can be determined.
  • the first time period can be predetermined taking into account at least one parameter such that, after the first period has elapsed, the temperature in the furnace chamber is above the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture to be used in the second operating state.
  • the temperature difference between the setpoint and the ignition temperature can be set over the first period of time.
  • the second time period may be predetermined, taking into account at least one determined parameter, such that, after the expiration of this period, the temperature in the chamber is below the first set temperature, but the temperature in the furnace is above the ignition temperature of the one to be used in the second operating state Fuel / combustion air mixture is.
  • the combustion in the chamber 4 can be maintained for the first period of time until a second setpoint temperature in the oven space is exceeded, the second setpoint temperature being measured by means of a measuring device arranged in the oven is determined.
  • the second setpoint temperature indicates a temperature which is above the ignition temperature of the fuel / combustion air used in the first or operating state of the burner. Gas mixture is.
  • step c) of the method is initiated.
  • This offers the advantage that the process can be performed more variable. For a given first period of time, the burner will burn for exactly that time interval, regardless of how high the temperature at the beginning of the process is in the oven or chamber. This leads to higher temperatures after the first time span at elevated outlet temperatures than is actually necessary for the method. This means that either the second period must be maintained longer, or the heat removal from the chamber must be increased for a constant second period of time to reach a state in which can be switched to the second operating state.
  • Which of the two methods is preferable for specifying the first period depends on the particular case of operation of the burner. In the event, for example, that the operation of the burner is maintained for a long period of time, and thereafter for a long time
  • Period is interrupted, the default offers taking into account parameters.
  • the fuel supply via the fuel supply may be reduced at least until the first setpoint temperature is reached during the second time period, wherein the first setpoint temperature is measured by means of a measurement arranged in the chamber - Establishment is determined.
  • the specification of the second period of time by exceeding the first setpoint temperature offers the above-mentioned advantages.
  • the measuring devices which detect the temperature in the chamber or the temperature in the furnace can be, for example, those measuring devices which determine the temperature on the basis of contact with the medium to be measured.
  • An example of such a measuring device is a thermocouple.
  • the temperature can be measured with measuring equipment. be determined, which measure the temperature indirectly via the heat radiation (pyrometer).
  • the two alternative methods for specifying the time periods can be combined as desired, or only one of the two methods can be used for both periods of time.
  • the combustion air is directed during feeding into the chamber with an air guiding device such that the combustion air exits the air guiding device with a swirl pulse.
  • this swirl pulse of the combustion air ensures a defined mixing of the combustion air with the fuel. It is preferred that the swirl number of the combustion air when exiting the air guiding device is less than 1.5.
  • combustion air supply is increased before increasing the fuel supply.
  • a reduction in the supply of combustion air during the second period of time may be particularly advantageous if the furnace chamber or the chamber is sensitive to an excessively high oxygen concentration.
  • the concomitant reduction in heat removal can be compensated, for example, by adding nitrogen to the combustion air or adding at least one cooling device, described above, to the outer surface of the chamber.
  • Prior art methods preferably operate at a high exit velocity of the fuel / combustion air mixture into the furnace space to achieve low NO x emissions.
  • the inventive method is preferably performed with exit speeds of the fuel / combustion air mixture in the furnace chamber of 5-70 m / s, which has surprisingly found that an increase in the speed of 5 m / s to 70 m / s has no effect on the burner's NO x emissions.
  • This has the advantage that a simpler structural design of the burner used in the process is possible.
  • the invention also provides a burner assembly with the indicated in claim 14 features.
  • An advantage of the burner assembly according to the invention is that it can be used according to the inventive method for NO x - reduced combustion.
  • Burners known from the prior art, which are operated with a method for NO x -reduced combustion, are structurally considerably more complicated, which requires higher production costs and a greater maintenance outlay.
  • the simple structural design of the burner is made possible by the inventive method described above.
  • only the special structural design of the burner makes this method possible.
  • the high-temperature burner has an air guiding device, which is formed upstream of the at least one fuel outlet. Such arranged
  • Air guiding device ensures a good mixing of combustion air and fuel in the first and the second operating state.
  • the fuel supply has a fuel outlet. It is preferred that the fuel supply ends in a nozzle which is formed downstream of the air guiding device, wherein the at least one fuel outlet is formed in this nozzle. It is advantageous that the nozzle has a plurality of Brennstoffausashes, which are formed at an arbitrary angle between 0 and 90 ° to the axis of the chamber. With such a nozzle formed, the burner assembly can be adapted to the prevailing conditions for each application. For example, it is possible to adjust the burner arrangement ideally to the fuel to be used by the number and orientation of the fuel outlet. It has proven to be advantageous that at least one of the fuel outlet is formed axially parallel to the chamber.
  • Such an axially parallel design of at least one fuel outlet ensures particularly good mixing of the fuel with the combustion air and, in the second operating state, a particularly favorable flow of the fuel / combustion air mixture into the furnace chamber.
  • the nozzle has an axially parallel to the chamber formed, extending into the chamber fuel lance with at least one fuel outlet.
  • the length of this lance is at most 50% of the length of the chamber used in the burner assembly.
  • the length of the chamber itself is preferably greater than the simple diameter of the louver.
  • the fuel lance has a plurality of fuel outlets, which are formed at any angle between 0 and 90 ° to the axis of the fuel lance, wherein preferably at least one fuel outlet formed axially parallel to the fuel lance is.
  • the above-mentioned air guiding device advantageously has a plurality of Verbrennungs Kunststoff ⁇ réelleen, which may be formed with an inclination to the axis of the Lucasleiteinrich- device, it being preferred that the inclination angle is smaller than 60 °.
  • This inclination can have directional components in the radial and / or circumferential direction, wherein all of the openings can either have the same inclination or the inclinations of the openings can be different.
  • the combustion air after passing through the louver has a swirl number smaller than 1.5. It is particularly advantageous that the combustion air openings have an angle between 15 ° and 50 ° to the axis of the louver.
  • tion openings are formed as slots on the circumference of the louver, and / or Verbrennungs Kunststoff ⁇ Uber in the interior of the louver are formed as preferably circular openings.
  • the inclination of the slots may differ from the inclination of the openings.
  • the louver may be, for example, disc-shaped or annular.
  • the Verbrennungs Kunststoff ⁇ réelleen may be evenly distributed over the louver, but it is preferred that Verbrennungs Kunststoff ⁇ réelleen are formed as slots on the circumference of the louver, and Verbrennungs Kunststoff ⁇ réelleen in the interior of the louver are formed as preferably circular openings.
  • the slots formed on the circumference of the air guiding device can be distributed uniformly around the circumference, wherein all the slots are of identical design. However, it is also possible that the slots formed on the circumference of the air guiding device vary, for example in such a way that every second slot is the same, but that adjacent slots are different. It is also possible that over the scope of
  • Air guide slots are provided with different angles to the axis of the air guide. Furthermore, it is conceivable that slots are arranged on the circumference of the louver at predetermined positions, for example every 90 °, which deviate from the remaining slots arranged on the circumference.
  • the slots themselves can be introduced over the height of the louver at a constant depth in the periphery of the louver, but it is also possible that the depth of the slots with the height in the louver decreases or increases.
  • the combustion air openings formed as preferably circular openings in the inner region of the air guiding device can, as already explained above, have an inclination to the axis of the air guiding device.
  • This inclination may have directional components in the radial and / or circumferential direction, wherein all of the openings may either have the same inclination, or the inclinations of the openings may be in the same direction. may be different.
  • the axis-parallel alignment of the openings has the advantage that such a louver is easier to manufacture.
  • At least 70% of the combustion air passage area provided by the combustion air openings is arranged in the region of the air guiding device whose diameter is greater than 0.7 times the diameter of the air guiding device.
  • the fuel supply is reduced so that the combustion breaks off in the chamber, that is, a fuel / combustion air mixture is fed into the chamber that can not ignite in the chamber. Since, however, at least the combustion air supply is at least partly maintained in this phase, heat is dissipated by the combustion air from the interior of the chamber as well as from the wall of the chamber itself. The temperature in the chamber itself drops much faster than the temperature of the wall of the chamber.
  • the mixture does not ignite in the chamber, and for reasons mentioned above, not on the chamber wall whose temperature is still above the ignition temperature at this time.
  • combustion of the mixture commences, since the temperature in the furnace chamber is above the ignition temperature of the mixture.
  • the second time span can thus be subdivided into two sections in the above-mentioned embodiment of the air guiding device, with combustion taking place in the furnace chamber only in the first section, in which no ignitable mixture flows through the chamber.
  • the combustion in the furnace chamber can be reintroduced, so that the burner can be transferred more quickly into its routine operation.
  • the air guiding device may be designed as a cylinder in which the fuel feed opens, and which has a plurality of combustion air inlets.
  • such an embodiment of the air guiding device may be advantageous for optimal combustion or mixing.
  • the mouth of the Chamber is formed in the furnace chamber as a rotationally symmetrical opening.
  • the cross section of the opening is smaller than the cross section of the chamber, in particular smaller than 0.8 times the cross section of the chamber.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a burner of the burner assembly according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second embodiment of a burner of the burner assembly according to the invention
  • Figure 3 shows a schematic representation of a third embodiment of a burner of the burner assembly according to the invention
  • Figures 4a and 4b is a schematic representation of the air guiding device of a burner of the burner arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first preferred embodiment of the burner of the burner assembly according to the invention.
  • the burner assembly includes a high temperature burner and a controller (not shown) coupled to the burner.
  • the burner has a housing 1, into which a fuel line 3a and a combustion air line 2a opens.
  • the fuel line 3a passes in the housing 1 in a fuel supply 3, and the combustion air line 2a is in a combustion air supply 2 via.
  • the housing 1 is adjoined by a chamber 4 made of a highly heat-resistant material, in which the fuel feed 3 and the
  • Combustion air duct 2 open.
  • the chamber 4 opens via an outlet 5 in a furnace chamber 6 or a (not shown) arranged in the furnace chamber 6 jet pipe of an industrial burner.
  • the outlet 5 is formed by a constriction of the chamber 4 in the vicinity of the mouth of the chamber 4 in the furnace chamber 6, and is preferably rotationally symmetrical to the axis of the chamber 4.
  • the cross section of the chamber decreases slightly up to the constriction at the outlet 5.
  • the cross section of the chamber may also be constant over its entire length up to the constriction.
  • the chamber is completely conical and the outlet 5 connects directly to the chamber 5 without a constriction.
  • the cross section is 0.8 times smaller than the largest cross section of the chamber 4th
  • the fuel supply 3 ends in the embodiment shown in Figure 1 in a nozzle 8 with a plurality of fuel outlet openings 9.
  • the nozzle 8 is pot-shaped, wherein the cross section of the nozzle 8 in the illustrated embodiment is greater than the cross section of the fuel supply 3.
  • the fuel outlet openings 9 are distributed over all of the chamber facing surfaces of the nozzle 8, so that fuel axially, radially and at an angle ⁇ from the nozzle 8 into the chamber 4 exits.
  • the louver 10 has a plurality of combustion Lucas ⁇ réelleen 11, which are formed at a defined angle to the axis of the louver.
  • FIGS. 4a and 4b show an embodiment of the air guiding device 10 with a nozzle 8 with fuel outlet 9 placed thereon.
  • the combustion air openings 11 are formed on the one hand by slots IIb formed on the circumference of the air guiding devices 10 and by the inside of the air .Leit Road arranged circular openings IIa. Both the openings IIa and the slots IIb are formed at a defined angle to the axis of the louver 10. In the illustrated embodiment of the air guiding device 10, the slots IIb and the openings IIa are regularly distributed on the air guiding device 10.
  • the louver 10 also has a bore 14 through which an ignition device 12 is guided, which ends in the vicinity of the nozzle 8.
  • FIG 2 shows a second embodiment of a burner of the burner assembly according to the invention.
  • the nozzle 8 has a fuel lance 13 which extends axially parallel to the axis of the nozzle 8 in the chamber 4. Die Brennkraftmaschine ist in Fig. 1 classroom.
  • the fuel lance 13 has a plurality of fuel outlets 9 a through which fuel enters the chamber 4.
  • the fuel lance 13 at the end of radial fuel outlets 9a and an axially parallel to the axis of the fuel lance formed fuel outlet.
  • the nozzle 8 has a plurality of fuel outlets 9 through which fuel passes radially into the chamber 4.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the burner of the burner arrangement according to the invention.
  • the louver 10 is not disk-shaped, but cup-shaped with a disk-shaped plate 10a and a cylinder 10b formed.
  • the disc 10a has (not shown) combustion air passage openings through which combustion air from the combustion air supply 2 passes into the chamber 4.
  • the cylinder 10b is surrounded by an annular gap through which combustion air enters the chamber. The combustion air passing through the annular gap on the outer surface of the cylinder 10b enters the cylinder 10b through combustion air inlets 14 and mixes therein with fuel entering the chamber through the fuel outlet 9b.
  • FIGS. 1 to 3 can also be designed as a recuperative burner without great structural complexity and can be operated as such.
  • the necessary structural measures are known in the art and are therefore not explained in detail in this application.
  • the burner is approached from a cold state, that is, that both the chamber 4 and the furnace chamber 6 have ambient temperature.
  • the fuel supply and the combustion air supply are opened so far that forms an ignitable mixture in the chamber 4.
  • This mixture is ignited by means of the ignition device 12, and the combustion in the chamber 4 is maintained for a first time period t 1, wherein the ignition device 12 can remain activated in this time period 12.
  • the temperature in the furnace chamber is detected by a measuring device (not shown in the figures).
  • the next process step is initiated.
  • both the temperature in the chamber 4 and the temperature in the open space 6 are above the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture used in the second operating state of the burner.
  • the fuel supply via the fuel supply 3 is interrupted for a second period t2, and the ignition device 12 is deactivated. Due to this interruption of the fuel supply, the combustion in the chamber 4 stops and remains suspended for the second time period t2.
  • the process it is possible for the process to merely reduce the fuel supply so that a non-ignitable mixture is present in the chamber.
  • combustion air is further supplied to the chamber 4, which flows through the chamber 4 and dissipates heat from the chamber 4 into the furnace chamber 6. Due to the heat dissipation from the chamber 4, the temperature in the chamber 4 drops rapidly below the first set temperature.
  • the time span t2 is predetermined by parameters of the burner arrangement and of the combustion air. In other words, the temperature in the chamber 4 and the furnace 6 during the period t2 is not constantly determined, the time t2 has been determined before the start of the burner and the control device specified. In the exemplary embodiment of the method described here, the fuel supply is completely interrupted during the time period t2.
  • the temperature in the furnace chamber 6 is still well above the ignition temperature of the fuel / combustion air mixture.
  • the burner assembly is switched to the second operating state by the fuel supply is opened and an ignitable fuel / combustion air mixture is formed in the chamber 4, this does not ignite in the chamber 4, since the temperature of the chamber 4 is below the Z ⁇ ndtemperatur of the mixture.
  • combustion sets in, since the temperature of the furnace chamber is above the ignition temperature of the mixture. As long as the fuel supply is maintained, this combustion is maintained in the furnace chamber 6.
  • the burner may have a flame monitoring device which determines the flame stability in the chamber during the first period of time.
  • a flame monitoring device may be, for example, an ionization electrode or a UV probe.
  • this measuring device can also serve as a flame monitoring device.

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Description

Brenneranordnung und Verfahren für deren Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung und ein Ver- fahren zum Betrieb der Brenneranordnung.
Für die NOx-reduzierte Verbrennung in Hochtemperaturprozessen sind in der Vergangenheit unterschiedliche Verfahren entwickelt worden. Hohe Verbrennungstemperaturen begünstigen die NOx-Bildung, so dass bei hohen Verbrennungstemperaturen hohe NOx-Bildungsraten auftreten.
Bekannte Verfahren zur NOx-Verringerung basieren daher beispielsweise auf dem Absenken der Verbrennungstemperatur zur NOx-Verringerung. Dazu wird insbesondere Brennstoff und/oder Verbrennungsluft gestuft, oder inerte Abgase werden rezirku- liert . Ein Brenner, der mit einer Stufenverbrennung arbeitet, ist in der DE 38 30 038 beschrieben.
Für die Wirkungsweise dieser Verfahren ist die Reihenfolge der Vermischung wesentlich. Beispielsweise wird zunächst das Sauerstoffträgergas mit Abgas gemischt und dann Brennstoff zu- gegeben. Bei den bekannten Verfahren wird die Verbrennungsin- tensität bis an die Stabilitätsgrenze der Verbrennung reduziert . Dies kann zu Problemen beim Kaltstartverhalten des Brenners führen. Aufgrund der geringen Verbrennungsintensität kann es zu Zündproblemen, CO-Bildung, unvollständiger Verbren- nung und Stabilitätsproblemen kommen. Je geringer die NOx-
Emissionen eines Brenners bei hohen Umgebungstemperaturen bzw. Ofenraumtemperaturen sind, um so schlechter ist sein Brennverhalten bei niedrigen Umgebungstemperaturen oder beim Betrieb mit kalter Verbrennungsluft. Ferner sind Verfahren zur NOx-reduzierten Verbrennung bei Hochtemperaturprozessen bekannt, bei denen der Brenner in zwei verschiedenen Betriebszuständen arbeitet.
Zum Starten des Brenners und zum Aufheizen des Ofenraums auf eine Betriebstemperatur arbeitet der Brenner, in einem er- sten Betriebszustand. Bei Erreichen einer definierten Um- schaltschwelle wird in einen zweiten Betriebszustand geschaltet.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 0 343 746 A2 bekannt. Der Brenner arbeitet nicht mit einer Brennkammer, vielmehr werden Verbrennungsluft und Brennstoff direkt in den Ofenraum geleitet, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Ofenraum. Zum Aufheizen des kalten Ofenraums wird der Brenner in einen ersten Betriebszustand geschaltet, in welchem der Brennstoff über eine erste Brenn- stoffZuführung vor Eintritt in den Ofenraum der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei das entstehende Gemisch beabstandet von der Wand des Ofenraums in den diesen eingeleitet wird. Bei Überschreiten der Zündtemperatur des Brennstoffes in dem Ofenraum wird der Brenner in einen zweiten Betriebszustand ge- schaltet, indem die erste BrennstoffZuführung geschlossen wird, und eine zweite BrennstoffZuführung geöffnet wird. Die zweite BrennstoffZuführung mündet in einem vorgegebenen Abstand von der VerbrennungsluftZuführung und einem vorgegebenen Abstand von der Wand des Ofenraums in diesem. Ein oben genanntes Verfahren ist ferner aus der EP 0 685
683 Bl bekannt. Zum Aufheizen des Ofenraumes wird der Brenner in einen ersten Betriebszustand geschaltet. In diesem Betriebszustand wird einer Brennkammer über eine erste BrennstoffZuführung, die in der Nähe einer Austrittsöffnung einer Luftzufuhreinrichtung endet, Brennstoff zugeführt. In der Brennkammer wird der Brennstoff mit der zugeführten Verbrennungsluft vermischt und das entstehende Gemisch über eine in der Kammer angeordnete Zündelektrode gezündet, woraufhin es in der Brennkammer verbrennt und einen der Brennkammer zugeordne- ten Ofenraum aufheizt.
Sobald der Ofenraum über die Zündtemperatur des Brennstoffes aufgeheizt ist, wird der Brenner in einen zweiten Betriebszustand geschaltet, indem die erste BrennstoffZuführung geschlossen wird und eine zweite BrennstoffZuführung geöffnet wird. Die zweite BrennstoffZuführung endet etwa auf der Höhe der Austrittsöffnung der Brennkammer. In dem zweiten Betriebszustand wird der Brennkammer kein Brennstoff mehr zugeführt, so daß der Verbrennungsvorgang in der Brennkammer im wesentlichen vollständig unterdrückt wird.
Die zur Durchführung der oben genannten bekannten Verfahren notwendigen Brenner sind konstruktiv aufwendig, da für die beiden Betriebszustände des Brenners unterschiedliche BrennstoffZuführungen benötigt werden. Zudem sind mechanische Aktoren notwendig, die beim Schalten in den zweiten Betriebszustand die erste BrennstoffZuführung schließen und die zweite BrennstoffZuführung öffnen. Die Kosten für einen derartigen Brenner sind relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur NOx-reduzierten Verbrennung zur Verfügung zu stellen, welches mit einem konstruktiv einfach aufgebauten Brenner betrieben werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturbrenners, der eine in einen Ofenraum mündende Kammer, eine in die Kammer mündende BrennstoffZuführung und eine in die Kammer mündende VerbrennungsluftZuführung aufweist, wobei: a) in der Kammer ein Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch gebildet und mit Hilfe einer Zündeinrichtung gezündet wird, b) die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches in der Kammer für eine erste Zeitspanne aufrechterhalten wird, c) dann die Brennstoffzufuhr über die Brennstoffzuführung für eine zweite Zeitspanne derart vermindert wird, daß die Verbrennung abbricht und ausgesetzt bleibt, wobei in der zweiten Zeitspanne die Temperatur in der Kammer unter eine erste Solltemperatur absinkt, und d) dann die Brennstoffzufuhr erhöht wird, so daß die
Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches bei Eintritt in den Ofenraum einsetzt und aufrecht erhalten bleibt, wobei die Kammer als Mischkammer betrieben wird.
Das Verfahren ist somit in vier Verfahrensschritte unter- teilt. Bei Schritt a) wird das Brennstoff/Verbrennungsluft-
Gemisch in der Kammer gezündet, und die Verbrennung in Schritt b) für eine erste Zeitspanne aufrechterhalten. Die Zündung erfolgt über eine Zündeinrichtung, die beispielsweise in der Kammer in der Nähe der Mündung der BrennstoffZuführung angeordnet sein kann. Die Zündeinrichtung kann beispielsweise als eine Zündelektrode ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Zündeinrichtung als Zündbrenner realisiert ist, wobei dieser dann in die Kammer 4 mündet.
Im Rahmen dieser Anmeldung soll von dem Begriff „in der Kammer" sowohl der Innenraum der Kammer als auch die Kammerinnenwand umfaßt sein. Es können sowohl gasförmige als auch flüssige Brennstoffe verwendet werden. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung eines gasförmigen Brennstoffes, und zwar insbesondere die Verwendung von Erdgas oder Propan. Mit dem Begriff Verbrennungsluft ist ein beliebiger Sauerstoffträger gemeint, aus Kostengründen ist die Verwendung von Luft jedoch bevor- zugt, welcher ggf. Hilfsstoffe oder Hilfsgase zugeschlagen werden können.
Während der ersten Zeitspanne wird die Kammer und der O- fenraum bis über die Zündtemperatur des verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches aufgeheizt. Diese Aufheizpha- se des Brenners wird im nachfolgenden als erster Betriebszustand bezeichnet .
Beim folgenden Schritt c) wird die Brennstoffzufuhr für eine zweite Zeitspanne vermindert oder geschlossen, so daß die Verbrennung in der Kammer abbricht und ausgesetzt bleibt. Wäh- rend dieser zweiten Zeitspanne sinkt die Temperatur in der Kammer schnell unter eine erste Solltemperatur. Die erste Solltemperatur ist eine Temperatur, die unter der Zündtemperatur des im nachfolgenden Verfahrensschritt verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt . Während der zweiten Zeitspanne sinkt zwar auch die Temperatur im Ofenraum, jedoch deutlich langsamer als die Temperatur in der Kammer, was dazu führt, daß mit fortschreitender erster Zeitspanne die Temperaturdifferenz zwischen Kammer und Ofenraum stetig zunimmt. Wesentlich ist in diesem Zusammen- hang, daß bei Unterschreitung der ersten Solltemperatur die Temperatur in dem Ofenraum noch über der Zündtemperatur eines bei Schritt d) zu verwendenden Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches ist. Wie dies im einzelnen erreicht wird, wird weiter unten detaillierter beschrieben.
Wenn bei dem nachfolgenden Schritt d) , der im folgenden als der zweite Betriebszustand des Brenners bezeichnet wird, die Brennstoffzufuhr wieder derart erhöht wird, daß sich in der Kammer ein zündfähiges Gemisch bildet, verbrennt dieses nicht in der Kammer, da die Temperatur der Kammer unter der ersten Solltemperatur und damit unter der Zündtemperatur des verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches ist. Da aber die Temperatur des Ofenraumes noch über der Zündtemperatur des bei diesem Verfahrensschritt verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt, setzt eine Verbrennung des Gemisches bei Eintritt in den Ofenraum ein, und die Verbrennung bleibt bei fortdauernder Zuführung des Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisches aufrechterhalten. Das bei dem zweiten Betriebszustand des Brenners verwendete Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch kann dem beim ersten Betriebszustand verwendeten entsprechen, es ist jedoch auch möglich, daß entweder ein anderes Mischungsverhältnis von Brennstoff und Verbrennungsluft oder ein anderer Brennstoff verwendet wird. Da in diesem zweiten Betriebszustand, im Gegensatz zum ersten Betriebszustand, keine Verbrennung in der Kammer stattfindet, dient die Kammer als reine Mischkammer.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit kalter Verbren- nungsluft betrieben werden, es ist jedoch auch möglich, daß die Verbrennungsluft vor der Zuführung in die Kammer vorgewärmt wird. Dies kann man beispielsweise erreichen, indem der bei dem Verfahren verwendete Brenner als Rekuperatorbrenner ausgebildet ist, d.h. die Verbrennungsluft vor Zuführung in die Kammer mit Abgas aus dem Ofenraum vorgewärmt wird, oder die Verbrennungsluft in einem externen Rekuperator vorgewärmt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren ist es, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit konstruktiv sehr einfach aufgebauten Brennern betrieben werden kann. Die Brennstoffzufuhr in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand findet mit derselben Brennstoffzu- führung statt. Da lediglich eine BrennstoffZuführung verwendet wird, muß auch nur ein mechanischer Aktor zum Vermindern bzw. Schließen und Erhöhen bzw. Öffnen der Brennstoffzufuhr verwendet werden. Die Kosten für gemäß diesem Verfahren betriebene Brenner sind demnach geringer als die Kosten für Brenner, die nach bekannten Verfahren betrieben werden.
Wie bereits weiter oben erwähnt, ist es wesentlich, daß bei Unterschreitung der ersten Solltemperatur die Temperatur in dem Ofenraum noch über der Zündtemperatur des im zweiten Betriebszustand verwendenden Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches liegt.
Dies kann man beispielsweise dadurch erreichen, daß man die Kammer mit einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit umgibt, so daß die Wärmeabfuhr aus der Kammer beschleunigt ist. Gegenüber einer solchen „passiven" Wärmeabführung ist es jedoch bevorzugt, daß in der zweiten Zeitspanne die Temperatur in der Kammer aktiv unter die erste Solltemperatur abgesenkt wird, indem mit geeigneten Mitteln bzw. Vorrichtungen Wärme aus der Kammer 4 abgeführt wird. Die zweite Zeitspanne kann dadurch verkürzt werden, so daß der Brenner schneller in den zweiten Betriebszustand geschaltet werden kann, der den Dauerbetriebszustand des Brenners darstellt.
Es ist bevorzugt, daß auch während des Aufrechterhaltens der Verbrennung in dem Ofenraum bei Schritt d) die Temperatur in der Kammer unter der Zündtemperatur des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches gehalten wird, indem mit zumindest einer geeigneten Vorrichtung Wärme aktiv aus der Kammer abgeführt wird, da der Kammer während des zweiten Betriebszustandes eine gewisse Wärmemenge aus dem Ofenraum zuge- führt wird.
Während der zweiten Zeitspanne wird die Wärme vorteilhaft- erweise aus der Kammer abgeführt, indem Wärme von der die Kammer 4 durchströmenden Verbrennungsluft oder von einem nicht zündfähigen Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch aufgenommen wird. Die Wärme wird auf diese Weise mit einem Mittel abgeführt, nämlich der Verbrennungsluft bzw. dem nicht zündfähigen Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch, das ohne eine zusätzliche Einrichtung zur Abführung von Wärme von dem Brenner bereit gestellt wird. So entstehen keine Mehrkosten durch ein zusätzliches Bauteil und der konstruktive Aufbau des Brenners bleibt sehr einfach. Um eine noch zügigere Wärmeabführung zu ermόgli- chen, ist es denkbar, daß während der zweiten Zeitspanne die Verbrennungsluftzufuhr gegenüber dem ersten Betriebszustand erhöht wird, oder das der Verbrennungsluft eines weiteres, die Zündfähigkeit des resultierenden Gemisches nicht erhöhendes Gas zugesetzt wird. Vorteilhafterweise wird während des zweiten Betriebszustandes die Wärme aus der Kammer (4) abgeführt, indem Wärme von dem die Kammer (4) durchströmenden Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch abgeführt wird. Die Wärme wird auf diese Weise mit einem Mittel abgeführt, nämlich dem Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisch, das ohne eine zusätzliche Einrichtung zur Abführung von Wärme von dem Brenner bereit gestellt wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß während der zweiten Zeitspanne und/oder während des zweiten Betriebszustandes die Wärme mit zumindest einer Kühlvorrichtung abgeführt wird, die bei der Außenfläche der Kammer angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann eine solche Kühlvorrichtung sowohl während der zweiten Zeitspanne, also bei unterbrochener Verbrennung, als auch im zweiten Betriebszustand einge- setzt werden, und zwar alternativ oder zusätzlich zu der Wärmeabführung mit der Verbrennungsluft oder dem nicht zündfähigen Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch und/oder der Wärmeabführung mit dem Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch. Bei Einsatz einer derartigen Kühlvorrichtung ist es möglich, die zweite Zeitspanne weiter zu verkürzen. Ferner kann eine derartige Kühlvorrichtung dabei unterstützen, die Temperatur in der Kammer während des zweiten Betriebszustandes unter der Zündtemperatur des verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches zu halten. Eine der Zeitspannen oder beide Zeitspannen können vorgegebene Zeitspannen sein. In diesem Zusammenhang bedeutet „vorgegebene Zeitspanne", daß die Zeitspanne nicht bei der Durch- führung des Verfahrens festgelegt wird, sondern daß die Zeitspanne unter Berücksichtigung zumindest eines Parameters des Hochtemperaturbrenners, des Ofenraumes, des Brennstoffes oder der Verbrennungsluft vorgegeben wird. Aufgrund der Vorgabe der Zeitspanne müssen im Verfahren keine Messwerte ermittelt werden, aus denen sich die Zeitspanne ableiten läßt. Dies hat den Vorteil, daß keine kostenintensiven Messeinrichtungen in der Kammer bzw. dem Ofenraum angeordnet werden müssen. Zur Vorgabe der Zeitspanne eigenen sich Parameter wie beispielsweise der Brennwert des Brennstoffes, die Wärmekapazität oder die Temperatur der Verbrennungsluft oder die Wärmeabstrahlung der Kammer und des Ofenraums. Diese Parameter werden vor der routinemäßigen Inbetriebnahme des Brenners ermittelt, und anhand dieser ermittelten Parameter kann die erste und/oder die zweite Zeitspanne festgelegt werden. Beispielsweise kann die erste Zeitspanne unter Berücksichtigung zumindest eines Parameters so vorgegeben werden, daß nach Ablauf der ersten Zeitspanne die Temperatur in dem Ofenraum oberhalb der Zündtemperatur des im zweiten Betriebzustand zu verwendenden Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt. Die Temperaturdifferenz zwischen Soll- und Zündtemperatur kann über die erste Zeitspanne eingestellt werden. Entsprechend kann beispielsweise die zweite Zeitspanne unter Berücksichtigung zumindest eines ermittelten Parameters so vorgegeben werden, daß nach Ab- lauf dieser Zeitspanne die Temperatur in der Kammer unter der ersten Solltemperatur ist, die Temperatur in dem Ofen jedoch oberhalb der Zündtemperatur des in dem zweiten Betriebszustand zu verwendenden Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt. Alternativ zu der Vorgabe der ersten Zeitspanne unter Be- rücksichtigung zumindest eines Parameters kann die Verbrennung in der Kammer 4 für die erste Zeitspanne solange aufrechterhalten werden, bis eine zweite Solltemperatur in dem Ofenraum überschritten wird, wobei die zweite Solltemperatur mittels einer in dem Ofen angeordneten Messeinrichtung ermittelt wird. Die zweite Solltemperatur kennzeichnet eine Temperatur, die über der Zündtemperatur des in dem ersten bzw. dem Betriebszustand des Brenners verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft- Gasgemisches liegt. Sobald die Messeinrichtung erfasst, daß die Temperatur in dem Ofenraum die zweite Solltemperatur überschritten hat, wird Schritt c) des Verfahrens eingeleitet. Dies bietet den Vorteil, daß das Verfahren variabler geführt werden kann. Bei vorgegebener erster Zeitspanne brennt der Brenner für genau dieses Zeitintervall, und zwar unabhängig davon, wie hoch die Temperatur zu Beginn des Verfahrens im O- fenraum oder der Kammer ist. Dies führt dazu, daß bei erhöhten Ausgangstemperaturen nach der ersten Zeitspanne höhere Tempe- raturen vorliegen, als dies für das Verfahren eigentlich notwendig ist. Dies bedeuten, daß entweder die zweite Zeitspanne länger beibehalten werden muß, oder aber die Wärmeabfuhr aus der Kammer bei gleichbleibender zweiter Zeitspanne gesteigert werden muß, um einen Zustand zu erreichen, in welchem in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden kann.
Welche der beiden Methoden zur Vorgabe der ersten Zeitspanne vorzuziehen ist, ist von dem jeweiligen Einzelfall beim Betrieb des Brenners abhängig. Für den Fall beispielsweise, daß der Betrieb des Brenners für einen langen Zeitraum auf- rechterhalten wird, und im Anschluß daran für einen langen
Zeitraum unterbrochen wird, bietet sich die Vorgabe unter Berücksichtigung von Parametern an.
Alternativ zu der Vorgabe der zweiten Zeitspanne anhand von zumindest einem Parameter kann es vorteilhaft sein, daß die Brennstoffzufuhr über die BrennstoffZuführung während der zweiten Zeitspanne zumindest solange vermindert bleibt, bis die erste Solltemperatur unterschritten wird, wobei die erste Solltemperatur mittels einer in der Kammer angeordneten Mess- einrichtung ermittelt wird. Die Vorgabe der zweiten Zeitspanne durch ein Überschreiten der ersten Solltemperatur bietet die oben genannten Vorteile.
Bei den Messeinrichtungen, die die Temperatur in der Kammer bzw. die Temperatur in dem Ofen erfassen, kann es sich beispielsweise um solche Messeinrichtungen handeln, die anhand eines Kontaktes mit dem zu messenden Medium die Temperatur bestimmen. Ein Beispiel einer solchen Messeinrichtung ist ein Thermoelement . Ferner kann die Temperatur mit Messeinrichtun- gen bestimmt werden, die die Temperatur indirekt über die Wärmestrahlung messen (Pyrometer) .
Die beiden alternativen Methoden zur Vorgabe der Zeitspannen können beliebig miteinander kombiniert werden, oder es kann nur eine der beiden Methoden für beide Zeitspannen verwendet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbrennungsluft beim Zuführen in die Kammer mit einer Luftleiteinrichtung derart gelenkt, daß die Verbren- nungsluft mit einem Drallimpuls aus der Luftleiteinrichtung austritt . In dem ersten und dem zweiten Betriebszustand sorgt dieser Drallimpuls der Verbrennungsluft für eine definierte Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff. Es ist bevorzugt, daß die Drallzahl der Verbrennungsluft beim Aus- tritt aus der Luftleiteinrichtung kleiner als 1,5 ist.
Für den Fall, daß während der zweiten Zeitspanne nicht nur die Zufuhr des Brennstoffes vermindert wird, sondern auch die Zufuhr der Verbrennungsluft vermindert wird, ist es von Vorteil, daß die Verbrennungsluftzufuhr vor dem Erhöhen der Brennstoffzufuhr erhöht wird. Eine Verminderung der Verbrennungsluftzufuhr während der zweiten Zeitspanne kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn der Ofenraum oder die Kammer empfindlich gegenüber einer zu hohen Sauerstoffkonzentration ist. Bei Verminderung der Verbrennungsluftzufuhr während der zweiten Zeitspanne kann die damit einhergehende Verminderung der Wärmeabfuhr ausgeglichen werden zum Beispiel durch Hinzufügung von Stickstoff in die Verbrennungsluft oder die Hinzuschaltung von zumindest einer, weiter oben beschriebenen, bei der Außenfläche der Kammer angeordneten Kühlvorrichtung. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren arbeiten bevorzugt mit einer hohen Austrittsgeschwindigkeit des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in den Ofenraum, um eine geringe NOx-Emission zu erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mit Austrittsgeschwindigkeiten des Brenn- Stoff/Verbrennungsluft-Gemisches in den Ofenraum von 5 - 70 m/s geführt, wobei sich überraschenderweise heraus gestellt hat, daß eine Erhöhung der Geschwindigkeit von 5 m/s auf 70 m/s keine Auswirkung auf die NOx-Emission des Brenners hat. Dies hat den Vorteil, daß eine einfachere bauliche Ausgestaltung des bei dem Verfahren verwendeten Brenners möglich ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe schafft die Erfindung ferner eine Brenneranordnung mit den in Patentanspruch 14 aufgezeigten Merkmalen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist, daß diese gemäße dem erfindungsgemäßen Verfahren zur NOx- reduzierten Verbrennung verwendet werden kann. Aus dem Stand der Technik bekannte Brenner, die mit einem Verfahren zur NOx- reduzierten Verbrennung betrieben werden, sind baulich deutlich komplizierter, was höhere Fertigungskosten sowie einen größeren Wartungsaufwand bedingt . Die einfache konstruktive Gestaltung des Brenners wird durch das oben beschriebene er- findungsgemäße Verfahren ermöglicht. Andererseits macht erst die spezielle konstruktive Ausgestaltung des Brenners dieses Verfahren möglich.
Vorteilhafterweise weist der Hochtemperaturbrenner eine Luftleiteinrichtung auf, die stromauf des zumindest einen Brennstoffauslasses ausgebildet ist. Eine derart angeordnete
Luftleiteinrichtung gewährleistet eine gute Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand .
Wie bereits erwähnt, weist die BrennstoffZuführung einen Brennstoffauslaß auf. Es ist bevorzugt, daß die BrennstoffZuführung in einer Düse endet, die stromab der Luftleiteinrichtung ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Brennstoffaus- laß in dieser Düse ausgebildet ist. Dabei ist es von Vorteil, daß die Düse eine Mehrzahl von Brennstoffauslassen aufweist, die in einem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° zu der Achse der Kammer ausgebildet sind. Mit einer derart ausgebildeten Düse kann die Brenneranordnung auf bei dem jeweiligen Anwendungszweck vorherrschenden Bedingungen angepaßt werden. So ist es zum Beispiel möglich, durch die Anzahl und Ausrichtung der Brennstoffauslasse die Brenneranordnung ideal auf den zu verwendenden Brennstoff einzustellen. Es hat sich als Vorteil herausgestellt, daß zumindest eine der Brennstoffauslasse achsparallel zu der Kammer ausgebildet ist. Durch eine derartige achsparalle Ausbildung zumindest eines Brennstoffauslasses wird eine besonders gute Durchmischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft und im zweiten Betriebszustand eine besonders günstige Strömung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in den Ofenraum hinein gewährleistet. In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders günstig herausgestellt, daß die Düse eine achsparallel zur Kammer ausgebildete, sich in die Kammer erstreckende Brennstofflanze mit zumindest einem Brennstoffauslaß aufweist. Die Länge diese Lanze beträgt maximal 50% der Länge der bei der Brenneranordnung verwendeten Kammer. Die Länge der Kammer selber ist vorzugsweise größer als der einfache Durchmesser der Luftleiteinrichtung.
Aus bereits weiter oben dargelegten Gründen ist es von Vorteil, daß die Brennstofflanze eine Mehrzahl von Brennstoffauslässen aufweist, die in einem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° zu der Achse der Brennstofflanze ausgebildet sind, wo- bei vorzugsweise zumindest ein Brennstoffauslaß achsparallel zu der Brennstofflanze ausgebildet ist.
Die vorstehend bereits erwähnte Luftleiteinrichtung weist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Verbrennungsluftδffnungen auf, die mit einer Neigung zu der Achse der Luftleiteinrich- tung ausgebildet sein können, wobei es bevorzugt ist, daß der Neigungswinkel kleiner als 60°ist. Diese Neigung kann Richtungsanteile in radialer und/ oder in Umfangsrichtung aufweisen, wobei sämtliche der Öffnungen entweder die gleiche Neigung aufweisen können, oder die Neigungen der Öffnungen unter- schiedlich sein können. Indem die Winkel kleiner als 60° gewählt werden, weist die Verbrennungsluft nach Durchtritt durch die Luftleiteinrichtung eine Drallzahl von kleiner als 1,5 auf. Es ist besonders vorteilhaft, daß die Verbrennungsluft- Öffnungen einen Winkel zwischen 15° und 50° zu der Achse der Luftleiteinrichtung aufweisen.
Um besonders günstige Strδmungs- und Mischungsverhältnisse in der Kammer zu erreichen, ist es bevorzugt, daß Verbren- nungsluftöffnungen am Umfang der Luftleiteinrichtung als Schlitze ausgebildet sind, und/oder Verbrennungsluftδffnungen im Innenbereich der Luftleiteinrichtung als vorzugsweise kreisförmige Öffnungen ausgebildet sind. In einem solchen Fall kann die Neigung der Schlitze von der Neigung der Öffnungen abweichen.
Die Luftleiteinrichtung kann beispielsweise scheibenförmig bzw. ringförmig ausgebildet sein. Die Verbrennungsluftδffnungen können gleichmäßig über die Luftleiteinrichtung verteilt sein, es ist jedoch bevorzugt, daß Verbrennungsluftδffnungen am Umfang der Luftleiteinrichtung als Schlitze ausgebildet sind, und Verbrennungsluftδffnungen im Innenbereich der Luftleiteinrichtung als vorzugsweise kreisförmige Öffnungen ausgebildet sind. Die am Umfang der Luftleiteinrichtung ausgebilde- ten Schlitze können gleichmäßig am Umfang verteilt sein, wobei sämtliche Schlitze gleich ausgebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, daß die am Umfang der Luftleiteinrichtung ausgebildeten Schlitze variieren, und zwar beispielsweise so, daß jeder zweite Schlitz gleich ist, benachbarte Schlitze sich aber un- terscheiden. Es ist auch möglich, daß über den Umfang der
Luftleiteinrichtung Schlitze mit unterschiedlichen Winkeln zu der Achse der Luftleiteinrichtung vorgesehen sind. Ferner ist es denkbar, daß auf dem Umfang der Luftleiteinrichtung bei vorgegebenen Positionen, beispielsweise alle 90°, Schlitze an- geordnet sind, die von den übrigen an dem Umfang angeordneten Schlitzen abweichen. Die Schlitze selber können über die Höhe der Luftleiteinrichtung mit einer konstanten Tiefe in den Umfang der Luftleiteinrichtung eingebracht sein, es ist jedoch auch möglich, daß die Tiefe der Schlitze mit der Höhe in der Luftleiteinrichtung ab- oder zunimmt.
Die als vorzugsweise kreisförmige Öffnungen ausgebildeten Verbrennungsluftöffnungen im Innenbereich der Luftleiteinrichtung können, wie oben bereits ausgeführt, eine Neigung zu der Achse der Luftleiteinrichtung aufweisen. Diese Neigung kann Richtungsanteile in radialer und/ oder in Umfangsrichtung aufweisen, wobei sämtliche der Öffnungen entweder die gleiche Neigung aufweisen können, oder die Neigungen der Öffnungen un- terschiedlich sein können. So ist es möglich, die Einleitung der Verbrennungsluft in die Kammer optimal an beispielsweise die Geometrie der Kammer oder den verwendeten Brennstoff anzupassen. Die achsparallele Ausrichtung der Öffnungen hat den Vorteil, daß eine derartige Luftleiteinrichtung einfacher zu fertigen ist.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, daß zumindest 70% der von den Verbrennungsluftδffnungen bereitgestellten Verbrennungsluftdurchtrittsfläche in dem Bereich der Luftleiteinrichtung angeordnet ist, dessen Durchmesser größer als das 0,7-fache des Durchmessers der Luftleiteinrichtung ist. Dies hat den Vorteil, daß in dem zweiten Betriebszustand in der Kammer ein Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch erzeugt wird, daß in dem Bereich der Kammerwandung eine geringe Kon- zentration an Brennstoff aufweist. Die Luftleiteinrichtung legt bei solcher Anordnung der Verbrennungsluftδffnungen quasi einen Schleier aus Verbrennungsluft an die Kammerwandung . Die Brennstoffkonzentration in diesem Verbrennungsluftschleier ist so gering, daß das in dem Verrennungsluftschleier vorherr- sehende Gemisch nicht zündfähig ist.
Dies ermöglicht eine vorteilhafte Führung des Verfahrens, die im folgenden beschrieben wird. Zu Beginn der zweiten Zeitspanne wird die Brennstoffzufuhr derart vermindert, daß die Verbrennung in der Kammer abbricht, d.h. es wird ein Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisch in die Kammer geführt, daß in der Kammer nicht zünden kann. Da aber zumindest die Verbrennungsluftzufuhr in dieser Phase zumindest zum Teil aufrechterhalten wird, wird von der Verbrennungsluft aus dem Innenraum der Kammer sowie von der Wandung der Kammer selber Wärme abge- führt. Dabei sinkt die Temperatur in der Kammer selber deutlich schneller als die Temperatur der Wandung der Kammer. Es wird also ein Zustand eintreten, in dem die Temperatur in der Kammer selber unter der Zündtemperatur des bei dem folgenden Verfahrenschritt, d.h. dem zweiten Betriebszustand, verwende- ten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt, die Temperatur der Wandung der Kammer jedoch über dieser Zündtemperatur liegt. Bei der oben dargelegten Ausgestaltung der Luftleitein- richtung kann bereits zu diesem Zeitpunkt die Brennstoffzufuhr erhöht werden, da die Luftleiteinrichtung die Verbrennungsluft derart leitet, daß an der Kaminerwandung der oben beschriebene Verbrennungsluftschleier vorbei geführt wird, der aufgrund der geringen Konzentration des Brennstoffes in dem Schleier an der Wandung der Kammer nicht zünden kann. In der Kammer liegt also ein Konzentrationsgefälle in Bezug auf den Brennstoff vor, und zwar derart, daß die Konzentration zum Innenraum der Kammer stark zunimmt und in dem Innenraum der Kammer so hoch ist, daß ein zύndfähiges Gemisch vorliegt. Da aber die Temperatur in dem Inneren der Kammer bereits unter der Zündtemperatur ist, zündet das Gemisch nicht in der Kammer, und aus oben genannten Gründen auch nicht an der Kammerwandung, deren Temperatur zu diesem Zeitpunkt noch über der Zündtemperatur liegt. Tritt das Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch jedoch in den Ofenraum ein, so setzt die Verbrennung des Gemisches ein, da die Temperatur in dem Ofenraum über der Zündtemperatur des Gemisches liegt. Die zweite Zeitspanne kann bei der oben genannten Ausgestaltung der Luftleiteinrichtung demnach in zwei Abschnitte unterteilt werden, wobei lediglich in dem ersten Abschnitt, in dem kein zündfähiges Gemisch die Kammer durchströmt, keine Verbrennung in dem Ofenraum stattfindet. Vorteilhafterweise kann bei einer derartigen Verfahrensführung also nach einer kürzeren Zeitspanne die Verbrennung in dem Ofenraum wieder eingeleitet werden, so daß der Brenner schneller in seinen routinemäßigen Betrieb überführt werden kann.
Alternativ zu der oben genannten Ausbildung der Luftleiteinrichtung kann es vorteilhaft sein, daß die Luftleiteinrichtung als ein Zylinder ausgebildet ist, in dem die Brennstoff- Zuführung mündet, und der eine Mehrzahl von Verbrennungsluft- einlässen aufweist . In Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff oder dem gewünschten Brennverhalten der Brenneranordnung kann eine derartige Ausgestaltung der Luftleiteinrichtung für eine optimale Verbrennung bzw. Vermischung vorteilhaft sein. Um in dem zweiten Betriebszustand eine besonders günstige Einströmung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in den Ofenraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, daß die Mündung der Kammer in den Ofenraum als eine rotationssymmetrische Öffnung ausgebildet ist . In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, daß der Querschnitt der Öffnung kleiner als der Querschnitt der Kammer, insbesondere kleiner als das 0,8-fache des Querschnitts der Kammer, ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert , wobei :
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh- rungsform eines Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung zeigt;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung zeigt; Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles eines Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung zeigt ;
Figur 4a und 4b eine schematische Darstellung der Luft- leiteinrichtung eines Brenners der erfindungsgemäßen Brenner- anordnung .
Im nachfolgenden werden zunächst unter Bezugnahme auf die Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele des Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung sowie die Luftleiteinrichtung des Brenners beschrieben. Figur 1 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung. Die Brenneranordnung umfaßt einen Hochtemperaturbrenner sowie eine (nicht gezeigte) mit dem Brenner gekoppelte Steuereinrichtung. Der Brenner weist ein Gehäuse 1 auf, in welches eine Brenn- stoffleitung 3a sowie eine Verbrennungsluftleitung 2a mündet. Die Brennstoffleitung 3a geht in dem Gehäuse 1 in eine BrennstoffZuführung 3 über, und die Verbrennungsluftleitung 2a geht in eine Verbrennungsluftzuführung 2 über. An das Gehäuse 1 schließt sich eine Kammer 4 aus einem hochhitzebeständigen Ma- terial an, in welcher die BrennstoffZuführung 3 sowie die
Verbrennungsluftführung 2 münden. Bevorzugt sind Kammern aus keramische Materialien, SiC oder Metalllegierungen. Die Kammer 4 mündet über einen Auslaß 5 in einem Ofenraum 6 oder einem (nicht gezeigten) in dem Ofenraum 6 angeordneten Strahlrohr eines Industriebrenners. Der Auslaß 5 ist durch eine Einschnürung der Kammer 4 in der Nähe der Mündung der Kam- mer 4 in den Ofenraum 6 gebildet, und ist vorzugsweise zu der Achse der Kammer 4 rotationssymmetrisch. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt der Querschnitt der Kammer bis zu der Einschnürung bei dem Auslaß 5 geringfügig ab. Der Querschnitt der Kammer kann jedoch auch über deren ge- samte Länge bis zu der Einschnürung konstant sein. Ferner ist es denkbar, daß die Kammer vollständig konisch ausgebildet ist und sich der Auslaß 5 ohne eine Einschnürung direkt an die Kammer 5 anschließt. Für den Fall, daß der Querschnitt der Kammer zur Mündung hin abnimmt, ist der Querschnitt um das 0,8-fache geringer als der größte Querschnitt der Kammer 4.
Die BrennstoffZuführung 3 endet bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Düse 8 mit einer Mehrzahl von Brennstoffaustrittsöffnungen 9. Die Düse 8 ist topf- förmig ausgebildet, wobei der Querschnitt der Düse 8 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel größer als der Querschnitt der BrennstoffZuführung 3 ist. Die Brennstoffaustrittsöffnungen 9 sind über sämtliche der Kammer zugewandte Flächen der Düse 8 verteilt, so daß Brennstoff axial, radial und unter einem Winkel α aus der Düse 8 in die Kammer 4 austritt. Stromauf der Düse 8 ist eine Luftleiteinrichtung 10 angeordnet, die in Figur 1 scheibenförmig bzw. ringförmig ausgebildet ist und die BrennstoffZuführung 3 koaxial umgibt. Die Luftleiteinrichtung 10 weist eine Mehrzahl von Verbrennungs- luftδffnungen 11 auf, die unter einem definierten Winkel zur Achse der Luftleiteinrichtung ausgebildet sind.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 4a und 4b wird im folgenden die Luftleiteinrichtung 10 genauer beschrieben. Die Figuren 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform der Luftleiteinrichtung 10 mit einer auf diese aufgesetzten Düse 8 mit Brennstof- fauslassen 9. Die Verbrennungsluftδffnungen 11 werden zum einen gebildet durch am Umfang der Luftleiteinrichtungen 10 ausgebildete Schlitze IIb sowie durch im Innenbereich der Luft- .Leiteinrichtung angeordnete kreisförmige Öffnungen IIa. Sowohl die Öffnungen IIa als auch die Schlitze IIb sind unter einem definierten Winkel zur Achse der Luftleiteinrichtung 10 ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform der Luftleitein- richtung 10 sind die Schlitze IIb und die Öffnungen IIa regelmäßig auf der Luftleiteinrichtung 10 verteilt. Die Luftleiteinrichtung 10 weist ferner eine Bohrung 14 auf, durch welche eine Zündeinrichtung 12 geführt ist, die in der Nähe der Düse 8 endet. Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Düse 8 eine Brennstofflanze 13 auf, die sich achsparallel zu der Achse der Düse 8 in die Kammer 4 erstreckt. An deren Ende weist die Brennstofflanze 13 eine Mehrzahl von Brennstoffauslassen 9a auf, durch welche Brennstoff in die Kammer 4 gelangt. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennstofflanze 13 an deren Ende radiale Brennstoffauslässe 9a sowie einen achsparallel zu der Achse der Brennstofflanze ausgebildeten Brennstoffauslaß auf. Die Düse 8 weist eine Mehrzahl von Brennstoffauslassen 9 auf, durch welche Brennstoff radial in die Kammer 4 gelangt.
Es wird Bezug genommen auf Figur 3. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brenners der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gezeigt . Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Luftleiteinrichtung 10 nicht scheibenförmig, sondern topfförmig mit einer scheibenförmigen Platte 10a und einem Zylinder 10b ausgebildet. Die Scheibe 10a weist (nicht dargestellte) Verbrennungsluftdurchtrittsöffnungen auf, durch welche Verbrennungsluft von der VerbrennungsluftZuführung 2 in die Kammer 4 gelangt. Der Zylinder 10b ist von einem Ringspalt umgeben, durch welchen Verbrennungsluft in die Kammer tritt. Die an der Außenfläche des Zylinders 10b durch den Ringspalt geführte Verbrennungsluft tritt durch Verbrennungslufteinlässe 14 in den Zylinder 10b ein und vermischt sich in diesem mit Brennstoff, der durch den Brennstoffauslaß 9b in die Kammer eintritt. Zwar ist in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 lediglich ein Brennstoffauslaß 9b gezeigt, jedoch kann die BrennstoffZuführung 3 in einer Mehrzahl von Brennstoffauslassen 9b in der Kammer 4 münden. Es ist ferner möglich, daß auch bei der Ausgestaltung der Luftleiteinrichtung gemäß Figur 3 die BrennstoffZuführung 3 in einer der Düse 8 entsprechenden Düse endet .
Der in den Figuren 1 - 3 beschriebene Brenner kann ohne großen baulichen Mehraufwand auch als Rekuperatorbrenner ausgeführt sein und als solcher betrieben werden. Die dazu erforderlichen baulichen Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt und werden daher in dieser Anmeldung nicht näher erläutert.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Bei der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der Brenner aus einem kalten Zustand angefahren wird, das heißt daß sowohl die Kammer 4 als auch der Ofenraum 6 Umgebungstemperatur aufweisen. Zum Anfahren aus diesem kalten Zustand werden die Brennstoffzufuhr und die Verbrennungsluftzufuhr soweit geöffnet, daß sich in der Kammer 4 ein zündfähiges Gemisch ausbildet. Dieses Gemisch wird mit Hilfe der Zündein- richtung 12 gezündet, und die Verbrennung in der Kammer 4 wird für eine erste Zeitspanne tl aufrechterhalten, wobei die Zündeinrichtung 12 in dieser Zeitspanne 12 aktiviert bleiben kann. Während der ersten Zeitspanne tl wird die Temperatur in dem Ofenraum mit einer (in den Figuren nicht gezeigten) Messein- richtung erfasst . Sobald die Temperatur in dem Ofenraum die zweite Solltemperatur überschreitet, wird der nächste Verfahrenschritt eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt liegt sowohl die Temperatur in der Kammer 4 als auch die Temperatur in dem O- fenraum 6 über der der Zündtemperatur des Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisches, das in dem zweiten Betriebszustand des Brenners verwendet wird.
Zur Einleitung des nächsten Verfahrenschritts wird die Brennstoffzufuhr über die BrennstoffZuführung 3 für eine zweite Zeitspanne t2 unterbrochen, und die Zündeinrichtung 12 wird deaktiviert. Aufgrund dieser Unterbrechung der Brennstoffzufuhr bricht die Verbrennung in der Kammer 4 ab und bleibt für die zweite Zeitspanne t2 ausgesetzt. Bei anderen Ausführungen des Verfahrens ist es selbstverständlich möglich, daß die Brennstoffzufuhr lediglich so weit vermindert wird, daß ein nicht zύndfähiges Gemisch in der Kammer vorliegt.
Während der zweiten Zeitspanne t2 wird weiterhin Verbren- nungsluft der Kammer 4 zugeführt, die die Kammer 4 durchströmt und Wärme aus der Kammer 4 in den Ofenraum 6 abführt . Aufgrund der Wärmeabführung aus der Kammer 4 sinkt die Temperatur in der Kammer 4 schnell unter die erste Solltemperatur ab. Die Zeitspanne t2 ist von Parametern der Brenneranordnung sowie der Verbrennungsluft vorgegeben. Mit anderen Worten wird die Temperatur in der Kammer 4 und dem Ofen 6 während der Zeitspanne t2 nicht ständig ermittelt, die Zeitspanne t2 ist vielmehr vor Inbetriebnahme des Brenners ermittelt worden und der Steuereinrichtung vorgegeben. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist die Brennstoffzufuhr während der Zeitspanne t2 vollständig unterbrochen. Somit strömt während dieser Zeitspanne kein Brennstoff bzw. kein zündfähiges Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch in den Ofenraum 6, der ständig über der Zündtemperatur eines bei dem nachfolgenden Verfahrenschritt zu verwendenden Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches liegt, ein. Somit findet während dieser Zeitspanne in dem O- fenraum 6 keine Verbrennung statt, so daß auch die Temperatur in dem Ofenraum während der Zeitspanne t2 sinkt. Da jedoch die Wärmekapazität des Ofenraums 6 deutlich über der Wärmekapazität der Kammer 4 liegt, sinkt die Temperatur in dem Ofenraum 6 im Vergleich zu der Temperatur in der Kammer 4 deutlich langsamer ab. Dies bedingt mit zunehmender Zeitspanne t2 eine größer werdende Temperaturdifferenz zwischen der Kammer 4 und dem Ofenraum 6. Nach Ablauf der von der Steuereinrichtung vorgegebenen Zeitspanne t2 liegt die Temperatur in der Kammer 4 unter der Zündtemperatur des in dem nachfolgenden Verfahrenschrittes verwendeten Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches, die Temperatur in dem Ofenraum 6 jedoch liegt noch deutlich über der Zündtemperatur des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches. Wenn also die Brenneranordnung in den zweiten Betriebszustand geschaltet wird, indem die Brennstoffzufuhr geöffnet wird und ein zündfähiges Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch in der Kammer 4 entsteht, zündet dieses nicht in der Kammer 4, da die Temperatur der Kammer 4 unter der Zύndtemperatur des Gemisches liegt. Sobald jedoch dieses Gemisch in den Ofenraum 6 ein- tritt, setzt eine Verbrennung ein, da die Temperatur des Ofenraumes über der Zündtemperatur des Gemisches liegt . Solange die Brennstoffzufuhr erhalten bleibt, bleibt diese Verbrennung in dem Ofenraum 6 erhalten. Es findet auch bei Aufrechterhaltung der Verbrennung in dem Ofenraum 6 keine Verbrennung in der Kammer 4 statt, da die Temperatur der Kammer 4 während des zweiten Betriebszustandes durch das diese durchströmende Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch unter der Zündtemperatur dieses Gemisches gehalten wird, indem mit diesem Gemisch Wärme aus der Kammer 4 abgeführt wird, die dieser in geringen Maße während des zweiten Betriebszustandes der Brenneranordnung aus dem Ofenraum 6 zugeführt wird. Die Zündeinrichtung 12 ist während des zweiten Betriebszustandes ständig deaktiviert.
Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungsmδglichkeiten für die Brenneranordnung und das Verfahren zum Betreiben dieser Brenneranordnung gegeben. So kann der Brenner beispielsweise eine Flammenüberwachnungseinrichtung aufweisen, die während der ersten Zeitspanne die Flammstabilität in der Kammer ermittelt . Bei einer solchen Flammenüberwachnungseinrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Ionisationselektrode oder eine UV-Sonde handeln. Für den Fall, daß die Temperatur in der Kammer während der ersten Zeitspanne mit einer Messeinrichtung erfasst wird, kann diese Messeinrichtung gleichzeitig als Flammenüberwachnungseinrichtung dienen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturbrenners, der eine in einen Ofenraum (6) mündende Kammer (4) , eine in die Kammer (4) mündende BrennstoffZuführung (3) und eine in die Kammer mündende Verbrennungsluftzuführung (2) aufweist, wobei : a) in der Kammer (4) ein Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisch gebildet und mit Hilfe einer Zündeinrichtung (12) ge- zündet wird, b) die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches in der Kammer (4) für eine erste Zeitspanne (tl) aufrechterhalten wird, c) dann die Brennstoffzufuhr über die BrennstoffZuführung (3) für eine zweite Zeitspanne (t2) derart vermindert wird, daß die Verbrennung abbricht und ausgesetzt bleibt, wobei in der zweiten Zeitspanne (t2) die Temperatur in der Kammer (4) unter eine erste Solltemperatur absinkt, und d) dann die Brennstoffzufuhr erhöht wird, so daß die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches bei Eintritt in den Ofenraum (6) einsetzt und aufrecht erhalten bleibt, wobei die Kammer (4) als Mischkammer betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Zeitspanne (t2) die Temperatur in der Kammer
(4) unter die erste Solltemperatur abgesenkt wird, indem Wärme aus der Kammer (4) abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeich- net, daß während des Aufrechterhaltens der Verbrennung in dem
Ofenraum bei Schritt d) die Temperatur in der Kammer (4) unter einer Zündtemperatur des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemischs gehalten wird, indem Wärme aus der Kammer (4) abgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aus der Kammer (4) abgeführt wird, indem Wärme von der die Kammer (4) durchströmenden Verbrennungsluft oder von einem nicht zündfähigen Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch aufgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aus der Kammer (4) abgeführt wird, indem Wärme von dem die Kammer (4) durchströmenden Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch abgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme mit zumindest einer Kühlvorrichtung abgeführt wird, die bei der Außenfläche der Kammer (4) angeordnet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitspanne (tl) und/oder die zweite Zeitspanne (t2) vorgegebene Zeitspannen sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zeitspanne (tl) und/oder die zweite Zeitspanne (t2) unter Berücksichtigung zumindest eines Parameters des Hochtemperaturbrenners, des Ofenraums (6) , des Brennstoffes oder der Verbrennungsluft vorgegeben werden bzw. wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in der Kammer (4) für die erste Zeitspanne (tl) aufrecht erhalten wird, bis eine zweite Solltemperatur in dem Ofenraum (6) überschritten wird, wobei die zweite Solltemperatur mittels einer in dem Ofen (6) ange- ordneten Messeinrichtung ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr über die Brennstoff- Zuführung (3) während der zweiten Zeitspanne (t2) zumindest solange vermindert bleibt, bis die erste Solltemperatur unterschritten wird, wobei die erste Solltemperatur mittels einer in der Kammer (4) angeordneten Messeinrichtung ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft beim Zuführen in die Kammer (4) mit einer Luftleiteinrichtung (10) derart gelenkt wird, daß die Verbrennungsluft mit einem Drallimpuls aus der Luftleiteinrichtung (10) austritt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der zweiten Zeitspanne (t2) auch die Verbrennungsluftzufuhr vermindert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluftzufuhr vor dem Erhöhen der Brennstoffzufuhr erhöht wird.
14. Brenneranordnung mit: einem Hochtemperaturbrenner, der eine in einen Ofenraum (6) mündende Kammer (4) , eine in die Kammer (4) mündende BrennstoffZuführung (3) und eine in die Kammer (4) mündende Verbrennungsluftzuführung (2) aufweist, wobei die Brennstoff- Zuführung (3) zumindest einen Brennstoffauslaß (9) aufweist, durch welchen Brennstoff in die Kammer (4) gelangt, einer mit dem Hochtemperaturbrenner gekoppelten Steuereinrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie a) ein in der Kammer (4) gebildetes Brenn- stoff/Verbrennungsluft-Gemisch mit Hilfe einer Zündeinrichtung (12) zündet, b) die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft- Gemisches in der Kammer (4) für eine erste Zeitspanne (tl) aufrechterhält, c) die Brennstoffzufuhr über die BrennstoffZuführung (3) für eine zweite Zeitspanne (t2) derart vermindert, daß die Verbrennung abbricht und ausgesetzt bleibt, wobei in der zweiten Zeitspanne (t2) die Temperatur in der Kammer (4) unter eine erste Solltemperatur absinkt, und d) die Brennstoffzufuhr erhöht, so daß die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches bei Eintritt in den O- fenraum (6) einsetzt und aufrecht erhalten bleibt, wobei die Kammer (4) als Mischkammer betrieben wird.
15. Brenneranordnung nach Anspruch 14 , dadurch gekenn- zeichnet, daß der Hochtemperaturbrenner eine Luftleiteinrichtung (10) aufweist, die stromauf des zumindest einen Brennstoffauslasses (9) ausgebildet ist.
16. Brenneranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge- kennzeichnet, daß die BrennstoffZuführung (3) in einer Düse
(8) endet, die stromab der Luftleiteinrichtung (10) ausgebildet ist .
17. Brenneranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Düse (8) eine Mehrzahl von Brennstoffauslassen (9) aufweist, die in einem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° zu der Achse der Kammer (4) ausgebildet sind.
18. Brenneranordnung nach Anspruch 17, dadurch gekenn- zeichnet, daß zumindest eine der Brennstoffauslässe (9) achsparallel zu der Kammer (4) ausgebildet ist.
19. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (8) eine achsparallel zur Kammer (4) ausgebildete, sich in die Kammer (4) erstreckende Brennstofflanze (13) mit zumindest einem Brennstoffauslaß (9a) aufweist .
20. Brenneranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Brennstofflanze (13) eine Mehrzahl von
Brennstoffauslassen (9a) aufweist, die in einem beliebigen Winkel zwischen 0 und 90° zu der Achse der Brennstofflanze (13) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise zumindest ein Brennstoffauslaß (9a) achsparallel zu der Brennstofflanze (13) aus- gebildet ist.
21. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung (10) eine Mehrzahl von Verbrennungsluftδffnungen (IIa, IIb) aufweist, die unter einem Winkel von kleiner als 60° zur Achse der Luft- leiteinrichtung (10) ausgebildet sind.
22. Brenneranordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Verbrennungsluftöffnungen (IIb) am Umfang der Luftleiteinrichtung (10) als Schlitze ausgebildet sind, und/oder Verbrennungsluftöffnungen im Innenbereich der Luftleiteinrichtung (10) als vorzugsweise kreisförmige Öffnungen (IIa) ausgebildet sind.
23. Brenneranordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch ge- kennzeichnet, daß zumindest 70% der von den Verbrennungsluft- öffnungen (IIa, IIb) bereit gestellten Verbrennungsluftdurch- trittsflache in dem Bereich der Luftleiteinrichtung (10) angeordnet ist, dessen Durchmesser größer als das 0,7-fache des Durchmessers der Luftleiteinrichtung (10) ist.
24. Brenneranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleiteinrichtung (10) als ein Zylinder ausgebildet ist, in dem die BrennstoffZuführung (3) mündet und der eine Mehrzahl von Verbrennungslufteinlässen (14) aufweist.
25. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Kammer (4) in den Ofenraum als eine rotationssymmetrische Öffnung (5) ausgebildet ist.
26. Brenneranordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Öffnung (5) kleiner als der Querschnitt der Kammer (4), insbesondere kleiner als das 0,8- fache des Querschnitts der Kammer (4), ist.
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