EP2846092B1 - Brenner - Google Patents

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EP2846092B1
EP2846092B1 EP14183751.8A EP14183751A EP2846092B1 EP 2846092 B1 EP2846092 B1 EP 2846092B1 EP 14183751 A EP14183751 A EP 14183751A EP 2846092 B1 EP2846092 B1 EP 2846092B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
burner
heat
fuel
heat pipe
heat exchanger
Prior art date
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Active
Application number
EP14183751.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2846092A3 (de
EP2846092A2 (de
Inventor
Martin Demuth
Michael Potesser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Messer Austria GmbH
Original Assignee
Messer Austria GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Messer Austria GmbH filed Critical Messer Austria GmbH
Priority to PL14183751T priority Critical patent/PL2846092T3/pl
Priority to RS20181265A priority patent/RS57898B1/sr
Publication of EP2846092A2 publication Critical patent/EP2846092A2/de
Publication of EP2846092A3 publication Critical patent/EP2846092A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2846092B1 publication Critical patent/EP2846092B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • 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
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78—Cooling burner parts
    • 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
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2214/00—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a burner with a burner housing equipped with feeds for fuel and oxidant, which projects in the intended installation state with a burner tip into a reaction zone and to which a cooling device for cooling the burner tip is assigned.
  • Such burners are, for example, externally mixing burners, via which a liquid, solid or gaseous fuel and an oxygen-containing gas are fed into each other in a reaction zone (combustion chamber) separated from one another by flow, mixed together and ignited.
  • the burners are provided with a cooling device in which a cooling medium is passed through cooling channels, which run through the projecting into the reaction zone parts of the burner jacket.
  • cooling medium is usually used cooling water, such as in the WO 00/70102 A1 described.
  • the burner jacket of a burner is equipped with a radially surrounding the outlet nozzles of the reaction media water-bearing tract, which is in flow connection via inlet and outlet lines with a cooling water circuit.
  • GB2476253 discloses a fuel injector cooled by a heat pipe.
  • heat pipe refers to a closed system in which heat transfer medium is vaporized, which evaporates as a result of the heat supplied in a region of the heat pipe designated here as the "evaporation zone". wherein the heat pipe is designed so that the heat transfer medium at a remote from the evaporation zone portion of the heat pipe, here as Referred to as "condensation zone", condensed by heat exchange with a cooling medium and flows back within the heat pipe.
  • the heat transfer medium in the heat pipe in the region of the burner tip absorbs heat, evaporates and is supplied in the gaseous state to the thermally connected to one or more heat exchangers section (condensation zone) in which it condenses while heat to a in the heat exchanger or in the heat exchangers used cooling medium.
  • a cooling medium for receiving the heat from the heat pipe for example, a gas, in particular air, or a liquid, for example water, comes into consideration.
  • the heat is transferred from the heat pipe to a reaction medium supplied to the burner, ie fuel and / or oxidant.
  • the burner according to the invention thus comes without a guided through the burner tip cooling water circuit and the associated problems.
  • Heat pipes of the type mentioned here are known per se and are described for example in the patents US Pat. No. 3,229,759 B1 . US Pat. No. 3,532,159 B1 . DE 24 39 442 A1 . EP 0 040 255 A1 described.
  • Heat pipes can be adjusted so that they have a valve function during heat transfer. Depending on the boiling or condensation temperature of the heat transfer medium used ensures that a heat transfer takes place only above a predetermined temperature.
  • Heat pipes used in the invention may also have the shape of a closed loop or a ring in which or the Heat transfer medium from an evaporation zone into a condensation zone and is passed back through a circuit, such as in the EP 0 040 255 A1 shown. All of these variants can also be used within the scope of the invention.
  • Suitable fuels for the burner according to the invention are gaseous fuels, such as natural gas, as well as liquid fuels atomized into an aerosol or fluidized solid particles (dusts).
  • the heat transferred from the heat pipe or from the heat pipes is used for preheating fuel and / or oxidant.
  • the condensation zone of the heat pipe or the heat pipes is thermally connected to a heat exchanger, which is arranged in a feed line for fuel or for oxidizing agent.
  • a heat exchanger which is arranged in a feed line for fuel or for oxidizing agent.
  • thermally connect the condensation zone of the heat pipe and the heat pipes with a heat exchanger from an external Coolant is flowed through.
  • external cooling medium is understood here a medium that is not used in the context of the combustion process in the reaction chamber. is used.
  • an external cooling medium is in particular a gaseous or liquid cooling medium is used, such as air or water, wherein the external cooling medium can also be recycled in turn.
  • an external cooling medium flowed through the heat exchanger can also be used to control the temperature of the preheated reaction medium by the external cooling medium as needed, for example, depending on the temperature of the reaction medium or the temperature in the region of the burner tip, is switched on .
  • a fan can be used, which transfers the heat supplied from the heat pipe to the ambient air.
  • Yet another embodiment of the invention is characterized in that the heat exchanger (s) thermally connected to the condensation zone (s) with the condensation zones of the heat pipe (s) is / are arranged within the burner housing. This embodiment reduces the construction costs and allows the use of comparatively short heat pipes with a high heat transfer capacity.
  • such an "internal" heat exchanger can also be used in addition to one of the aforementioned “external” heat exchangers.
  • any heat transfer medium used in commercial heat pipes can be used.
  • the minimum temperature on the surface of the part of the burner (burner tip) projecting into the reaction chamber is correspondingly increased during burner operation and thus the condensation of at least some of the corrosive constituents of the reaction space atmosphere on the surface of the burner jacket is effectively avoided.
  • the energy consumption is reduced when using the burner (compared to water-cooled burners of the same power).
  • the invention is suitable both for burners that work with air as an oxidant, as well as for burners, the oxygen-enriched air (with an oxygen content of about 21 vol .-%) or pure oxygen (with an oxygen content of> 95 vol .-%), and burners, in which the oxygen content of the oxidizing agent used can be variably adjusted.
  • the burner according to the invention can be used in a large number of different applications, in particular in smelting metallurgy, in furnaces in chemistry, in waste recycling or in glass melting furnaces.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a burner according to the invention in longitudinal section.
  • the burner 1 comprises a substantially cylindrical (only partially shown in the drawing) burner housing 2, in which a central fuel channel 3 is arranged.
  • the fuel channel 3 is fluidly connected via a fuel feed line 4 with a source of fuel, not shown here.
  • Coaxial with the fuel channel 3 is in the embodiment according to Fig. 1 an annular channel 6 arranged for oxidizing agent.
  • a coaxial arrangement of fuel channel 3 and oxidant channel 6 other burner designs are also conceivable within the scope of the invention, for example a plurality of oxidant channels arranged radially at the fuel channel 3 at equal angular intervals, or parallel within a burner housing juxtaposed fuel and oxidant feeds.
  • the oxidant channel 6 is supplied via an oxidant supply line 7 with an oxidizing agent, for example air or oxygen, from a source not shown here.
  • an oxidizing agent for example air or oxygen
  • the burner 1 projects with its burner tip 8 into a metallurgical reaction space 9, for example a combustion chamber.
  • the burner further comprises an ignition device, not shown here, for igniting the fuel-oxidizing agent mixture forming in front of the burner tip 8 in the reaction space 9.
  • the burner 1 can be accommodated in an also not shown manner within an exhaust pipe, through which are discharged in the reaction of the fuel with the oxidant fuel gases from the reaction chamber 9.
  • the burner 1 is equipped with a cooling device by means of which during the operation of the burner 1, the high thermal load of the burner housing 2 in the region of the burner tip 8 is mitigated.
  • the cooling device comprises a plurality of radially on the outside of the oxidant channel 6 at equal angular intervals arranged heat pipes, of which in the embodiment, only the heat pipes 11, 12 are shown.
  • the heat pipes 11, 12 are closed fluid systems in which a heat transfer medium between an evaporation zone 13, 14, in which the medium evaporates and thereby absorbs heat from the environment, and a condensation zone 16, 17, in which the medium condenses and while giving off heat to the environment, fluctuates.
  • the evaporation zone 13 of the heat pipe 11 and the evaporation zone 14 of the heat pipe 12 are in the region of the burner tip 8 in which a particularly high heat load occurs during operation of the burner 1.
  • the condensation zone 16 of the heat pipe 11 and the condensation zone 17 of the heat exchanger 12 (indicated here for reasons of clarity) is located outside the burner housing 2 in the exemplary embodiment.
  • In the region of the condensation zones 16, 17 of the heat pipes 11, 12 are two heat exchangers 18, 19 are provided, which are thermally connected to the condensation zones 16, 17.
  • the heat transfer medium present in the heat pipes 11, 12 is thermally in contact with the heat transfer medium via the oxidant supply line 7 connected oxidant and connected via the heat exchanger 12 with an external cooling medium, such as air or water, which is brought on demand via a cooling medium line 21.
  • an external cooling medium such as air or water
  • the valve 22 is opened and fuel, for example natural gas, oil or fluidized coal dust, flows via the fuel supply line 4 and the fuel channel 3 into the reaction space 9.
  • fuel for example natural gas, oil or fluidized coal dust
  • the valve 23 is opened and oxidizing agent, for example oxygen or air, likewise flows into the reaction space 9 via the oxidant conduit 7 and the oxidant conduit 6.
  • oxidizing agent for example oxygen or air
  • the heat transferred from the combustion chamber 9 to the burner tip 8 and from there to the heat transfer medium present in the evaporation zones 13, 14 of the heat pipes 11, 12 leads to evaporation of the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium Via transport channels, not shown here, within the heat pipes 11, 12, the heat transfer medium reaches the respective condensation zone 16, 17, and gives off heat in the heat exchanger 18 to the oxidizing agent introduced in the oxidant supply line 7.
  • the heat absorbed by the heat pipes 11, 12 serves in this way for preheating the oxidizing agent; Such preheating can, moreover, be carried out in place of or in addition to a (known per se and therefore not shown here) preheating of the oxidizing agent with the aid of the flue gases discharged from the reaction zone 9.
  • the minimum temperature at the outer surface of the burner tip 8 during operation of the burner 1 can be adjusted.
  • the boiling point of thermal oils is about 150 ° C to 300 ° C and the specific metal alloys (for example Na-K mixtures) about 800 ° C.
  • the burner 1 can therefore be operated at considerably higher operating temperatures than conventional, water-cooled burner.
  • the temperature on the outer surface of the burner tip 8 can be maintained at a value which is above the dew point of corrosive constituents of the atmosphere in the reaction space 9.
  • the condensation zones 16, 17 of the heat pipes 11, 12 to heat exchanger 19 with a cooling medium can be thermally connected, which can be brought on demand via the cooling medium line 21 by opening the valve 23 and possibly switching on a conveyor, not shown here.
  • the cooling medium is, for example, ambient air or water;
  • the heat exchanger 19 is a fan which blows ambient air onto the outer surface of the heat pipes 11, 12 in the region of the condenser zones 16, 17.
  • the invention is suitable both for burners that use air as the oxidant, and for burners that use oxygen (with a purity of ⁇ 95 vol .-%) as the oxidant.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem mit Zuführungen für Brennstoff und Oxidationsmittel ausgerüsteten Brennergehäuse, das im bestimmungsgemäßen Einbauzustand mit einer Brennerspitze in eine Reaktionszone hineinragt und dem eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennerspitze zugeordnet ist.
  • Bei derartigen Brennern handelt es sich beispielsweise um außenmischende Brenner, über die ein flüssiger, fester oder gasförmiger Brennstoff sowie ein sauerstoffhaltiges Gas in voneinander strömungstechnisch getrennten Zuführungen in eine Reaktionszone (Brennraum) geführt, miteinander vermischt und gezündet werden. Um das Brennermaterial vor den meist sehr hohen Temperaturen im Brennraum zu schützen, sind die Brenner mit einer Kühleinrichtung versehen, bei denen ein Kühlmedium durch Kühlkanäle geführt wird, die die in die Reaktionszone hineinragenden Teile des Brennermantels durchziehen. Als Kühlmedium kommt dabei in der Regel Kühlwasser zum Einsatz, wie beispielsweise in der WO 00/70102 A1 beschrieben. Bei diesem Gegenstand ist der Brennermantel eines Brenners mit einem die Austrittsdüsen der Reaktionsmedien radial umgebenden wasserführenden Trakt ausgerüstet, der über Zu- und Ableitungen mit einem Kühlwasserkreislauf in Strömungsverbindung steht.
  • Durch den vergleichsweise kalten Brennermantel wassergekühlter Brenner ergeben sich jedoch eine Reihe von Nachteilen. Liegt die Temperatur des Brennermantels unterhalb des Taupunkts von aggressiven Komponenten des Rauchgases, können diese auf der Oberfläche des Brennermantels kondensieren und zu Korrosionen führen. Beispielsweise führt im Abgas enthaltenes Schwefeldioxid zur Bildung von schwefliger Säure, durch deren Einwirkung die Brennerlebensdauer deutlich verkürzt wird. Durch die hohe Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Brennermantel wird zudem dem Prozess viel Energie entzogen, das zudem in nachfolgenden Schritten auch dem Kühlwasser wieder entzogen werden muss. Schließlich besteht die Gefahr, dass im Schadensfall Wasser in den Brennraum eindringen und dort aufgrund der raschen Expansion des sich bildenden Wasserdampfs eine Explosion herbeiführen kann.
  • Es hat daher bereits Versuche gegeben, auch bei hohen Temperaturen im Brennraum auf eine Wasserkühlung zu verzichten. So wird beispielsweise in der EP1 736 706 A2 vorgeschlagen, den in den Brennraum hineinragenden Teil des Brenners mit einem Brennermantel aus Feuerfestmaterial auszurüsten. Aus der DE 29 512 230 U ist bekannt, die in die Reaktionszone hineinragenden Teile des Brenners mit einem metallischen Schutzmantel auszurüsten, hinter dem quer zur Feuerungsrichtung ein Kühlluftstrom geführt wird. Nach der Lehre der DE 2 916 635 C3 wird der Sauerstoffstrahl eines Brenners in Rotation versetzt und kühlt als Rotationsstrahl dabei auch den Brennermantel, wodurch auf eine Wasserkühlung verzichtet werden können soll. All diese Gegenstände weisen jedoch eine gegenüber einer Wasserkühlung wesentlich geringere Kühlleistung auf, sodass der Einsatz wassergekühlter Brenner für viele Anwendungsfälle als unverzichtbar angesehen wird.
  • Der GB2476253 offenbart eine Kraftstoffeinspritzdüse, die durch ein Wärmerohr gekühlt wird.
  • Der EP1881286 offenbart einen Brenner mit einem Kühlmittelkreislauf.
  • Der US4,736,693 offenbart einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähige Kühlung eines gattungsgemäßen Brenners auch bei hohen Temperaturen im Brennraum ohne Zuhilfenahme von Kühlwasser zu ermöglichen.
    Diese Aufgabe wird durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
    Erfindungsgemäß kommt/kommen als Kühleinrichtung ein oder mehrere Wärmerohre zum Einsatz, mit dem/denen die Wärme von der in die Reaktionszone hineinragende Brennerspitze abgeführt und auf einen Wärmetauscher übertragen wird, der sich in einem weniger stark von Hitze beaufschlagten Bereich innerhalb des Brennergehäuses oder außerhalb des Brennergehäuses befindet. Als Wärmerohr wird hierbei ein geschlossenes System bezeichnet, in welchem sich Wärmeübertragungsmedium befindet, das infolge der zugeführten Wärme in einem hier als "Verdampfungszone" bezeichneten Bereich des Wärmerohrs verdampft, wobei das Wärmerohr so ausgelegt ist, dass das Wärmeübertragungsmedium an einem von der Verdampfungszone abgewandten Abschnitt des Wärmerohrs, hier als "Kondensationszone" bezeichnet, durch Wärmetausch mit einem Kühlmedium kondensiert und innerhalb des Wärmerohres zurückströmt. Gemäß der Lehre der Erfindung nimmt das Wärmeübertragungsmedium im Wärmerohr im Bereich der Brennerspitze (Verdampfungszone) Wärme auf, verdampft und wird im gasförmigen Zustand dem mit einem oder mehreren Wärmetauschern thermisch verbundenen Abschnitt (Kondensationszone) zugeführt, in der es kondensiert und dabei Wärme an ein in dem Wärmetauscher oder in den Wärmetauschern eingesetztes Kühlmedium abgibt. Als Kühlmedium zum Aufnehmen der Wärme aus dem Wärmerohr kommt beispielsweise ein Gas, insbesondere Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in Betracht. Die Wärme wird aus dem Wärmerohr auf ein dem Brenner zugeführtes Reaktionsmedium, also Brennstoff und/oder Oxidationsmittel, übertragen. Der erfindungsgemäße Brenner kommt somit ohne einen durch die Brennerspitze geführten Kühlwasserkreislauf und die damit verbundenen Probleme aus.
    Bevorzugt sind dabei mehrere Wärmerohre mit ihren Verdampfungszonen im Innern des Brennergehäuses, radial außenseitig um die Zuführungen für Brennstoff und Oxidationsmittel herum und nahe der Außenoberfläche des Brennergehäuses in gleichen Winkelabständen angeordnet, um eine effiziente Kühlwirkung zu erzielen; bei hohen, während des Betriebs des Brenners eingetragenen Wärmemengen können auch mehrere Lagen an Wärmerohren vorgesehen und/oder die Wärmerohre in axialer Richtung unterschiedlich tief im Brennergehäuse aufgenommen sein.
    Wärmerohre der hier genannten Art sind an sich bekannt und werden zum Beispiel in den Patentschriften US 3 229 759 B1 , US 3 532 159 B1 , DE 24 39 442 A1 , EP 0 040 255 A1 beschrieben. Nach der Lehre der DE 24 39 442 A1 lassen sich Wärmerohre derart einstellen, dass sie eine Ventilfunktion bei der Wärmeübertragung haben. Je nach Siede- bzw. Kondensationstemperatur des eingesetzten Wärmeübertragungsmedium wird gewährleistet, dass eine Wärmeübertragung erst oberhalb einer vorgegebenen Temperatur erfolgt. Im Rahmen der Erfindung eingesetzten Wärmerohre können auch die Form einer geschlossenen Schleife oder eines Ringes haben, in der bzw. dem das Wärmeübertragungsmedium von einer Verdampfungszone in eine Kondensationszone und zurück durch einen Kreislauf geführt wird, wie beispielsweise in der EP 0 040 255 A1 gezeigt. All diese Varianten sind auch im Rahmen der Erfindung einsetzbar.
    Als Brennstoffe sind für den erfindungsgemäßen Brenner gasförmige Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, ebenso geeignet wie zu einem Aerosol zerstäubte flüssige Brennstoffe oder fluidisierte Feststoffpartikel (Stäube). Als Oxidationsmittel kann Luft oder ein mit Sauerstoff angereichertes Gas zum Einsatz kommen, besonders bevorzugt eignet sich reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von über 90 Vol.-%. Gemäß der Erfindung wird die vom Wärmerohr bzw. von den Wärmerohren übertragene Wärme zur Vorwärmung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel genutzt. Dazu ist die Kondensationszone des Wärmerohrs bzw. der Wärmerohre mit einem Wärmetauscher thermisch verbunden, der in einer Zuleitung für Brennstoff oder für Oxidationsmittel angeordnet ist. Es ist im Übrigen auch vorstellbar, die Kondensationszone des Wärmerohrs bzw. der Wärmerohre über mehrere Wärmetauscher sowohl mit dem Oxidationsmittel und/oder dem Brennstoff thermisch zu verbinden. Ergänzend zur vorgenannten Verwendung der vom Wärmerohr bzw. von den Wärmerohren übertragenen Wärme zur Vorwärmung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel ist in einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Kondensationszone des Wärmerohrs bzw. der Wärmerohre mit einem Wärmetauscher thermisch zu verbinden, der von einem externen Kühlmedium durchströmt wird. Als "externes Kühlmedium" wird hier ein Medium verstanden, das nicht im Rahmen des Verbrennungsprozesses im Reaktionsraum eingesetzt wird. eingesetzt wird. Als externes Kühlmedium kommt insbesondere ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium zum Einsatz, wie beispielsweise Luft oder Wasser, wobei das externe Kühlmedium auch seinerseits im Kreislauf geführt werden kann. Ein zusätzlich am Wärmerohr angeordneter, von einem externen Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher kann auch dazu genutzt werden, die Temperatur des vorgewärmten Reaktionsmediums zu steuern, indem das externe Kühlmedium bei Bedarf, etwa in Abhängigkeit von der Temperatur des Reaktionsmediums oder der Temperatur im Bereich der Brennerspitze, zugeschaltet wird. Im einfachsten Fall kann als "Wärmetauscher" im Übrigen auch ein Ventilator eingesetzt werden, der die vom Wärmerohr gelieferte Wärme auf die Umgebungsluft überträgt.
    Eine wieder andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der oder die mit der Kondensationszone/ mit den Kondensationszonen des Wärmerohrs/der Wärmerohre thermisch verbundene/n Wärmetauscher innerhalb des Brennergehäuses angeordnet ist/sind. Diese Ausgestaltung reduziert den baulichen Aufwand und ermöglicht den Einsatz vergleichsweise kurzer Wärmerohre mit einer hohen Wärmeübertragungskapazität. Ein solcher "interner" Wärmetauscher kann im Übrigen auch zusätzlich zu einem der vorgenannten "externen" Wärmetauschern zum Einsatz kommen.
    Als Kühlmedium im Wärmerohr/in den Wärmerohren kann jedes in handelsüblichen Wärmerohren verwendete Wärmeübertragungsmedium zum Einsatz kommen. Im Hinblick auf die besonderen Anforderungen in der Brennertechnologie empfiehlt es sich aber, ein Wärmeübertragungsmedium einzusetzen, das es ermöglicht, die Außenwand des Brennergehäuses im Bereich der Brennerspitze während des Einsatzes des Brenners auf eine Temperatur zu halten, die oberhalb des Taupunktes von korrosiv wirkenden Bestandteilen in der Atmosphäre liegt, die in der Atmosphäre im Reaktionsraum enthaltenden sind. Insbesondere bei Einsätzen des erfindungsgemäße Brenners in Feuerungen in der chemischen Industrie oder bei der thermischen Abfallverwertung treten im Abgas aggressive Gaskomponenten wie beispielsweise Halogene, Stickoxide, Schwefeloxide oder Säuren auf, die bei konventionellen, mit Wasser gekühlten Brennern auf der Oberfläche des Brennermantels kondensieren und dort in kurzer Zeit zu erheblichen Beschädigungen führen können. Durch die Erfindung wird der Einsatz von Wärmeübertragungsmedien in den Wärmerohren ermöglicht, deren Siedepunkt über dem Siedepunkt von Wasser liegt, wie beispielsweise Thermalöle mit einer Siedetemperatur zwischen 150°C bis 300°C, bevorzugt zwischen 200°C bis 250°C, oder flüssige Metalle bzw. Metalllegierungen mit Siedetemperaturen zwischen 600°C und 800°C. Dadurch wird zugleich die minimale Temperatur auf der Oberfläche des in den Reaktionsraum hineinragenden Teils des Brenners (Brennerspitze) während des Brennerbetriebs entsprechend erhöht und damit die Kondensation von zumindest einigen der korrosiven Bestandteile der Reaktionsraumatmosphäre auf der Oberfläche des Brennermantels wirkungsvoll vermieden. Zudem wird der Energieverbrauch beim Einsatz des Brenners (im Vergleich zu wassergekühlten Brennern gleicher Leistung) gesenkt.
  • Grundsätzlich ist die Erfindung sowohl für Brenner geeignet, die mit Luft als Oxidationsmittel arbeiten, wie auch für Brenner, die dazu mit Sauerstoff angereicherte Luft (mit einem Sauerstoffanteil von über 21 Vol.-%) oder reinen Sauerstoff (mit einem Sauerstoffanteil von >95 Vol.-%) einsetzen, und Brenner, bei denen der Sauerstoffgehalt des eingesetzten Oxidationsmittels variabel eingestellt werden kann. Der erfindungsgemäße Brenner ist in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen einsetzbar, insbesondere in der Schmelzmetallurgie, bei Feuerungen in der Chemie, der Abfallverwertung oder in Glasschmelzöfen.
  • Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners im Längsschnitt.
  • Der Brenner 1 umfasst ein im wesentlichen zylinderförmiges (in der Zeichnung nur abschnittsweise dargestelltes) Brennergehäuse 2, in dem ein zentraler Brennstoffkanal 3 angeordnet ist. Der Brennstoffkanal 3 ist über eine Brennstoffzuleitung 4 mit einer hier nicht gezeigten Quelle für Brennstoff strömungsverbunden. Koaxial zum Brennstoffkanal 3 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein ringförmiger Kanal 6 für Oxidationsmittel angeordnet. Anstelle einer koaxialen Anordnung von Brennstoffkanal 3 und Oxidationsmittelkanals 6 sind im Übrigen im Rahmen der Erfindung auch andere Brennerbauformen vorstellbar, etwa mehrere radial außenseitig am Brennstoffkanal 3 in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnete Oxidationsmittelkanäle, oder innerhalb eines Brennergehäuses parallel nebeneinander angeordnete Zuführungen für Brennstoff und Oxidationsmittel. Der Oxidationsmittelkanal 6 wird über eine Oxidationsmittelzuleitung 7 mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, aus einer hier nicht gezeigten Quelle versorgt. In seinem bestimmungsgemäßen Einbauzustand ragt der Brenner 1 mit seiner Brennerspitze 8 in einen metallurgischen Reaktionsraum 9, beispielsweise eine Brennkammer, ein. Der Brenner umfasst des Weiteren eine hier nicht gezeigte Zündeinrichtung zum Zünden des sich vor der Brennerspitze 8 im Reaktionsraum 9 bildenden Brennstoff-Oxidationsmittelgemisches. Der Brenner 1 kann in gleichfalls hier nicht gezeigter Weise innerhalb einer Abgasleitung aufgenommen sein, durch welche die sich bei der Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel bildenden Brenngase aus dem Reaktionsraum 9 abgeführt werden.
  • Der Brenner 1 ist mit einer Kühleinrichtung ausgerüstet, mittels der während des Betriebs des Brenners 1 die hohe thermische Belastung des Brennergehäuses 2 im Bereich der Brennerspitze 8 abgemildert wird. Die Kühleinrichtung umfasst mehrere radial außenseitig am Oxidationsmittelkanal 6 in gleichen Winkelabständen angeordnete Wärmerohre, von denen im Ausführungsbeispiel lediglich die Wärmerohre 11, 12 gezeigt sind. Bei den Wärmerohren 11, 12 handelt es sich um geschlossene Fluidsysteme, in denen ein Wärmeübertragungsmedium zwischen einer Verdampfungszone 13, 14, in der das Medium verdampft und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt, und einer Kondensationszone 16, 17, in der das Medium kondensiert und dabei Wärme an die Umgebung abgibt, fluktuiert. In Ausführungsbeispiel befinden sich die Verdampfungszone 13 des Wärmerohrs 11 und die Verdampfungszone14 des Wärmerohrs 12 im Bereich der Brennerspitze 8, in dem während des Betriebs des Brenners 1 eine besonders hohe Wärmebelastung auftritt. Die Kondensationszone 16 des Wärmerohrs 11 und die (hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nur durch eine gestrichelte Linie angedeutete) Kondensationszone 17 des Wärmetauschers 12 befindet sich im Ausführungsbeispiel außerhalb des Brennergehäuses 2. Im Bereich der Kondensationszonen 16, 17 der Wärmerohre 11, 12 sind zwei Wärmetauscher 18, 19 vorgesehen, die mit den Kondensationszonen 16, 17 thermisch verbunden sind. Über den Wärmetauscher 11 ist das in den Wärmerohren 11, 12 vorliegende Wärmeübertragungsmedium thermisch mit dem über die Oxidationsmittelzuleitung 7 herangeführtem Oxidationsmittel verbunden und über den Wärmetauscher 12 mit einem externen Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, das bei Bedarf über eine Kühlmediumsleitung 21 herangeführt wird. Über Ventile 22, 23, 24 in den Zuleitungen 4, 7, 21 kann der Zufluss des jeweiligen Mediums eingestellt bzw. geregelt werden.
  • Beim Betrieb des Brenners 1 wird das Ventil 22 geöffnet und Brennstoff, beispielsweise Erdgas, Öl oder fluidisierter Kohlestaub, strömt über die Brennstoffzuleitung 4 und den Brennstoffkanal 3 in den Reaktionsraum 9 ein. Gleichzeitig wird das Ventil 23 geöffnet und Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, strömt über die Oxidationsmittelleitung 7 und den Oxidationsmittelkanal 6 gleichfalls in den Reaktionsraum 9 ein. Das sich dabei im Reaktionsraum 9 vor der Mündung der Brennerspitze 8 sich bildende Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch wird gezündet und führt zur Ausbildung einer (hier nicht gezeigten) Flamme im Reaktionsraum 9.
  • Die aus dem Brennraum 9 auf die Brennerspitze 8 und von dort auf das in den Verdampfungszonen 13, 14 der Wärmerohre 11, 12 vorliegende Wärmeübertragungsmedium übertragene Wärme führt zum Verdampfen des Wärmeübertragungsmediums. Über hier nicht gezeigte Transportkanäle innerhalb der Wärmerohre 11, 12 gelangt das Wärmeübertragungsmedium zur jeweiligen Kondensationszone 16, 17, und gibt im Wärmetauscher 18 Wärme auf das in der Oxidationsmittelzuleitung 7 herangeführte Oxidationsmittel ab. Die von den Wärmerohren 11, 12 aufgenommene Wärme dient auf diese Weise zur Vorwärmung des Oxidationsmittels; eine solche Vorwärmung kann im Übrigen anstelle oder ergänzend zu einer (an sich bekannten und daher hier nicht gezeigten) Vorwärmung des Oxidationsmittels mit Hilfe der aus der Reaktionszone 9 abgeführten Rauchgase erfolgen. Ebenso ist im Rahmen der Erfindung vorstellbar, anstelle oder zusätzlich zu der Vorwärmung des Oxidationsmittels in gleicher Weise auch eine Vorwärmung des Brennstoffs durchzuführen. Beim Wärmetausch mit dem Oxidationsmittel im Wärmetauscher 18 kondensiert das Wärmeübertragungsmedium in den Kondensationszonen 16, 17 und wird als flüssiges Medium über hier gleichfalls nicht gezeigte Transportkanäle zurück zur jeweiligen Verdampfungszone 16, 17 geleitet.
  • Durch die Wahl eines geeigneten Wärmeübertragungsmediums in den Wärmerohren 11, 12 kann die minimale Temperatur an der Außenoberfläche der Brennerspitze 8 während des Betriebs des Brenners 1 eingestellt werden. So beträgt die Siedetemperatur von Thermalöle (Mineralöle oder synthetische Öle) ca. 150°C bis 300°C und die bestimmter Metalllegierungen (z.B. Na-K-Gemischen) ca. 800°C. Der Brenner 1 kann daher bei erheblich höheren Betriebstemperaturen als konventionelle, wassergekühlte Brenner gefahren werden. Insbesondere kann die Temperatur auf der Außenoberfläche der Brennerspitze 8 auf einem Wert gehalten werden, der oberhalb des Taupunkts von korrosiv wirkenden Bestandteilen der Atmosphäre im Reaktionsraum 9 ist.
  • Um eine hinreichende Kühlung der Brennerspitze 8 auch dann zu gewährleisten, wenn, beispielsweise nach Beendigung des Brennerbetriebs, das Ventil 22 geschlossen und kein Oxidationsmittel mehr durch die Oxidationsmittelzuleitung 7 geführt wird, sind die Kondensationszonen 16, 17 der Wärmerohre 11, 12 an Wärmetauscher 19 mit einem Kühlmedium thermisch verbindbar, das bei Bedarf über die Kühlmediumsleitung 21 durch Öffnen des Ventils 23 und ggf. Einschalten einer hier nicht gezeigten Fördereinrichtung herangeführt werden kann. Bei dem Kühlmedium handelt es sich beispielsweise um Umgebungsluft oder um Wasser; Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Wärmetauscher 19 um einen Ventilator, der Umgebungsluft auf die Außenfläche der Wärmerohre 11, 12 im Bereich der Kondensatorzonen 16, 17 bläst. Sobald der Reaktionsraum 9 bzw. die Oberfläche des Brennergehäuses 2 hinreichend abgekühlt ist, wird das Ventil 23 geschlossen.
  • Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, beide Wärmetauscher 18, 19 parallel zu betreiben. In diesem Fall wird stets ein Teil der Wärme auf das vorzuwärmende Reaktionsmedium und der verbleibende Teil auf das Kühlmedium übertragen, wobei die jeweiligen Anteile durch eine Steuerung des Kühlmediumszuflusses an Ventil 23 geregelt werden können.
  • Die Erfindung ist sowohl für Brenner geeignet, die mit Luft als Oxidationsmittel arbeiten, als auch für Brenner, die Sauerstoff (mit einer Reinheit von <95 Vol.-%) als Oxidationsmittel einsetzen.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Brenner
    2.
    Brennergehäuse
    3.
    Brennstoffkanal
    4.
    Brennstoffzuleitung
    5.
    -
    6.
    Oxidationsmittelkanal
    7.
    Oxidationsmittelzuleitung
    8.
    Brennerspitze
    9.
    Reaktionsraum
    10.
    -
    11.
    Wärmerohr
    12.
    Wärmerohr
    13.
    Verdampfungszone
    14.
    Verdampfungszone
    15.
    -
    16.
    Kondensationszone
    17.
    Kondensationszone
    18.
    Wärmetauscher
    19.
    Wärmetauscher 20. -
    21.
    Kühlmediumsleitung
    22.
    Ventil
    23.
    Ventil
    24.
    Ventil

Claims (9)

  1. Brenner mit einem mit Zuführungen (3, 6) für Brennstoff und Oxidationsmittel ausgerüsteten Brennergehäuse (2), das im bestimmungsgemäßen Einbauzustand mit einer Brennerspitze (8) in eine Reaktionszone (9) hineinragt und dem eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennerspitze (8) zugeordnet ist, wobei als Kühleinrichtung wenigstens ein Wärmerohr (11, 12) vorgesehen ist, das eine innerhalb des Brennergehäuses (2) angeordnete, mit der Brennerspitze (8) thermisch verbundene Verdampfungszone (13, 14) und eine mit wenigstens einem außerhalb der Reaktionszone (9) angeordneten Wärmetauscher (18) thermisch verbundene Kondensationszone (16, 17) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kondensationszone/n (16, 17) des Wärmerohrs/der Wärmerohre (11, 12) über den Wärmetauscher (18) mit einer Zuleitung (4, 7) für dem Brenner zuzuführenden Brennstoff und/oder Oxidationsmittel thermisch verbunden ist/sind.
  2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmerohre (11, 12) vorgesehen sind, die mit ihren Verdampfungszonen (13, 14) im Innern des Brennergehäuses (2), radial außenseitig um die Zuführungen (3, 6) für Brennstoff und Oxidationsmittel herum und nahe der Außenoberfläche des Brennergehäuses (2) in gleichen Winkelabständen angeordnet sind.
  3. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationszone/n (16, 17) des Wärmerohrs/der Wärmerohre (11, 12) über einen Wärmetauscher (19) mit einer Kühlmediumsleitung (21) für ein externen Kühlmedium thermisch verbunden ist/sind.
  4. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Kondensationszone/den Kondensationszonen (16, 17) des Wärmerohrs/der Wärmerohre (11, 12) thermisch verbundene Wärmetauscher (18, 19) innerhalb des Brennergehäuses (2) angeordnet ist.
  5. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass als Kühlmedium im Wärmerohr/in den Wärmerohren (11, 12) ein Thermalöl vorgesehen ist.
  6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium im Wärmerohr/in den Wärmerohren (11, 12) ein Metall oder eine Metalllegierung vorgesehen ist.
  7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr/die Wärmerohre (11, 12) mit einer Betriebstemperatur von über 150°C, bevorzugt mit einer Betriebstemperatur von über 600°C betreibbar ist.
  8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Konzeption als Brennstoff/Sauerstoffbrenner.
  9. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Anteile der auf den mit einer Zuleitung (4, 7) für dem Brenner zuzuführenden Brennstoff und/oder Oxidationsmittel thermisch verbundenen Wärmetauscher (18) und den mit der Kühlmediumsleitung (21) thermisch verbundenen Wärmetauscher (19) übertragenen Wärme durch eine Steuerung eines Ventils (23) im Zuleitung (4,7) geregelt werden können.
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