EP3864345A1 - Brenner zum reduzieren von nox-emissionen und verfahren zum betreiben des brenners - Google Patents

Brenner zum reduzieren von nox-emissionen und verfahren zum betreiben des brenners

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EP3864345A1
EP3864345A1 EP19732650.7A EP19732650A EP3864345A1 EP 3864345 A1 EP3864345 A1 EP 3864345A1 EP 19732650 A EP19732650 A EP 19732650A EP 3864345 A1 EP3864345 A1 EP 3864345A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
mixing
burner
fuel
flow
Prior art date
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Pending
Application number
EP19732650.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bert DOMBROWSKI
Horst Graf Von Schweinitz
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.)
Econova GmbH
Original Assignee
Econova GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Econova GmbH filed Critical Econova GmbH
Publication of EP3864345A1 publication Critical patent/EP3864345A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—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
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/02—Disposition of air supply not passing through burner
    • F23C7/06—Disposition of air supply not passing through burner for heating the incoming air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/006—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber the recirculation taking place in the combustion chamber
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/04—Arrangements of recuperators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/06041—Staged supply of oxidant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/07022—Delaying secondary air introduction into the flame by using a shield or gas curtain
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/99001—Cold flame combustion or flameless oxidation processes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C2900/99006—Arrangements for starting combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D2207/00—Ignition devices associated with burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2208/00—Control devices associated with burners
    • F23D2208/005—Controlling air supply in radiant gas burners

Definitions

  • the invention relates to a burner for heating a boiler room with the reduction of NOx emissions, comprising a mixing and combustion chamber and a combustion chamber opening which opens the mixing and combustion chamber to a boiler room to be heated. A flame is generated in the mixing and combustion chamber, the heat of which is used to heat the boiler room.
  • the invention also relates to a method for operating such a burner.
  • Such burners are used in particular for heating furnaces in industrial thermoprocessing systems, which can be, for example, chamber furnaces for heat treatment, shuttle furnaces for heating and forging, roller hearth furnaces or rotary hearth furnaces.
  • industrial thermoprocessing systems can be, for example, chamber furnaces for heat treatment, shuttle furnaces for heating and forging, roller hearth furnaces or rotary hearth furnaces.
  • the burners are operated with a gaseous or liquid fuel together with air or oxygen.
  • Pulse or high-performance burners are increasingly being used, in which fuel and air are mixed and ignited in a combustion chamber. The resulting hot combustion gases flow at high speed through a combustion chamber opening into the heating room to be heated.
  • the boiler room can be a furnace room itself or a
  • Acting jet pipe which protrudes gas-tight through a furnace wall into a furnace chamber.
  • EP 0 685 683 B1 discloses an industrial burner which can be switched between a start-up mode with a flame inside a mixing and combustion chamber and a heating mode with flameless oxidation outside the mixing and combustion chamber.
  • two different fuel nozzle devices are provided with which fuel can optionally be brought into the mixing and combustion chamber (start-up mode) and near a combustion chamber outlet opening (heating mode). The switch between start-up mode and heating mode takes place after a predetermined temperature has been reached in the boiler room, this temperature being above the ignition temperature of the fuel / air ⁇
  • Mixture is so that the mixture can burn for a flameless oxidation without additional ignition in the area of the combustion chamber outlet opening.
  • this type of industrial furnace requires two different fuel feeds and a shade in high-temperature operation.
  • due to the flameless oxidation it cannot achieve its low NOx values in areas of a boiler room that do not reach or have not yet reached the specified ignition temperature.
  • the industrial furnace requires complex monitoring, since the flame in the mixing and combustion chamber goes out after switching to heating mode and the furnace can therefore no longer be monitored based on the presence of this flame.
  • the object of the invention is therefore to provide a burner and a method for operating the burner with which low NOx values can be achieved while avoiding in particular the disadvantages mentioned.
  • this object is achieved by a burner according to independent claim 1.
  • Advantageous further developments of the burner emerge from the dependent claims 2-13.
  • the invention is also achieved by a method for operating such a burner according to claim 14 and advantageous developments of the method according to claims 15 to 19
  • a heating space can be heated with the burner according to the invention, the heating space being, for example, a furnace space or a radiant tube which protrudes into a furnace space to be heated.
  • the burner can therefore be operated with an open furnace or a jet pipe.
  • Various types of radiant tubes can be used as the jet pipe.
  • it is a radiant tube of the SER (Single Ended Radiant Tube) type.
  • P-type or DP-type radiant tubes can be used as the jet pipe.
  • a furnace chamber is preferably equipped with several burners. It is an industrial burner that is used in particular for the direct heating of furnace rooms in industrial thermoprocessing systems. With the construction and the mode of operation of the burner according to the invention, the NOx emissions can be reduced, but the burner has further advantages
  • the burner according to the invention has a mixing and combustion chamber, inside which a mixing and ignition device is arranged.
  • a fuel supply is connected to the mixing and ignition device and is designed to supply fuel to the mixing and ignition device.
  • an air supply is provided which is designed to supply a first partial air flow to the mixing and combustion chamber.
  • the burner is operated with air and a fuel that is liquid or preferably gaseous. For example, natural gas is used.
  • the mixing and combustion chamber opens via a combustion chamber opening to the boiler room to be heated.
  • the burner also provides control devices which are designed to control a fuel flow B via the fuel supply and to control at least one partial air flow via the air supply.
  • the burner and this control means are designed to operate the burner with a stable flame which extends from the mixing and ignition device through the combustion chamber opening into the Boiler room extends.
  • Such an elongated flame has flame areas with different characteristics. At least one is concerned with a first flame area within the mixing and combustion chamber which can be detected, for example, by an ionization electrode. A second flame area is formed outside the combustion chamber opening, which is characterized by the high speed of the exiting streams.
  • the cross section of the combustion chamber opening related to the burner output is in the range between 1.5 mm 2 / kW and 10 mm 2 / kW. In one embodiment of the invention, the cross section of the combustion chamber opening related to the burner output is in the range between 1.5 mm 2 / kW and 8 mm 2 / kW, preferably between 1.5 mm 2 / kW and 6 mm 2 / kW, particularly preferably between 1.5 mm 2 / kW and 5 mm 2 / kW. With these values, very high exit velocities can be achieved in the area of the combustion chamber opening, which in turn means that exhaust gases from the boiler room are increasingly sucked into the flame in this area.
  • the cross section of the combustion chamber opening is selected to be much smaller than is the case with known burners.
  • known air / fuel burners often result in cross-sections of the combustion chamber opening of over 10 mm 2 / kW in relation to the burner output. A considerable reduction in this value is avoided, since experience has shown that the flame can then no longer be operated in a stable and reliable manner.
  • the invention is based on the knowledge that, with a suitable construction and operation of a burner, values significantly below 10 mm 2 / kW can also be achieved. In particular, this takes place together with the generation of a stable flame in the area of the ignition and mixing device.
  • the control means and the mixing and ignition device are therefore designed to generate a stable flame in the mixing and combustion chamber.
  • the invention results in higher exit velocities at the combustion chamber opening, which in turn increase the suction of exhaust gases from the boiler room, whereby the NOx emissions can be reduced.
  • NOx values in the range from 5 to 100 mg / Nm 3 or with an SER jet tube can be achieved from 50 to 150 mg / Nm 3 based on 3% O 2 can be achieved in the dry exhaust gas.
  • the increased exit speeds improve the temperature profile in the boiler room.
  • the invention also has the advantage that the stable flame in the area of the mixing and ignition device can be continuously detected and thus monitored . In one embodiment of the invention, therefore, flame monitoring means are provided in the mixing and combustion chamber, which are designed to detect a flame in the area of the mixing and ignition device.
  • the flame monitoring means are, for example, an ionization rod that protrudes into an area of the flame.
  • the flame monitoring means are used to monitor the presence of the flame in the mixing and combustion chamber, which is comparatively easy and reliable compared to solutions with high temperature switching is to be carried out.
  • the function of the burner can be monitored in a simple manner based on the presence of the flame in the combustion chamber.
  • the invention therefore offers the possibility of not having to use flameless oxidation in particular to achieve low NOx values in the range from 5 to 100 mg / Nm 3 or 50 to 150 mg / Nm 3 based on 3% O 2 in the dry exhaust gas Monitoring is expensive and comparatively insecure, since there is no monitorable flame
  • the burner according to the invention a NOx reduction is already possible from a boiler room temperature of around 300 to 500 ° C, while this is only possible at temperatures of around 800 ° C when using flameless oxidation.
  • the burner according to the invention can thus be used advantageously in areas of a thermal process system in which high performance is required, but the temperature in an area to be heated is not or not yet above 800 ° C.
  • the burner according to the invention is fully effective in the powerful first zones of a continuous furnace.
  • a recuperator is preferably also provided which at least partially surrounds the air supply to the burner.
  • the invention can also be used in burner designs can be used without a recuperator.
  • Such recuperators can be designed in a variety of ways and essentially have means for receiving hot exhaust gases from a heating room into the recuperator. They also have means for supplying air for combustion to the recuperator and for heating this combustion air by means of the hot exhaust gases passed through the recuperator.
  • the recuperator is designed accordingly in order to realize a suitable heat transfer between hot exhaust gases and the supplied combustion pleasure.
  • a second air flow L2 can thus be fed to the mixing and combustion chamber or to the heating space outside the mixing and combustion chamber via the recuperator. Whether this second air flow L2 is fed from the recuperator to the mixing and combustion chamber or directly to the heating room to be heated depends on the design of the burner.
  • the first partial air flow L1 can optionally also be preheated by the recuperator.
  • the cross-sections of the combustion chamber opening that can be achieved also depend essentially on the design of the burner with recuperator, since the combustion air preheated by the recuperator can be supplied to the combustion in various ways.
  • the mixing and ignition device within which the mixing and ignition device is arranged in such a way that the mixing and combustion chamber is formed.
  • the air supply pipe forms the combustion chamber opening.
  • the cross section of the combustion chamber opening related to the burner output for example, in the range between 1.5 mm 2 / kW and 5 mm 2 / kW, particularly preferably between 2, 5 mm 2 / kW and 3.5 mm 2 / kW.
  • the second partial air flow L2 is passed from the recuperator into the boiler room, for example. There is then no supply of a second, preheated air flow L2 directly into the mixing and combustion chamber, but this second partial air flow L2 is supplied to the flame area outside the mixing and combustion chamber.
  • the air supply is also formed by an air supply pipe, within which the mixing and ignition device is arranged in such a way that the mixing and combustion chamber is formed.
  • the recuperator forms the combustion chamber opening
  • the second, preheated partial air flow L2 from the recuperator is preferably also passed into the mixing and combustion chamber.
  • the total air flow into the mixing and combustion chamber is thus higher than in the previously described embodiment, but very small diameters can still be implemented for the combustion chamber opening, the cross section of the combustion chamber opening related to the burner output in the range between 3 mm 2 / kW and
  • control means are also designed to vary, in particular to increase, the ratio of fuel flow B to air flow after reaching a predetermined parameter value.
  • the control means are preferably designed to after reaching a predetermined parameter value to increase the fuel flow B with an approximately constant air flow (in particular the sum of the first and second, preheated air flow).
  • the predetermined parameter value is a temperature value, in particular a reference temperature in a room to be heated or in a specific zone within the room to be heated (zone temperature).
  • the room does not have to be the heating room according to the invention, but rather a suitable reference point is determined for a temperature which can vary depending on the installation situation of the burner.
  • the reference temperature is preferably selected or determined experimentally so that, for example, when using natural gas as fuel, the ratio of fuel flow B to air flow can be changed from 1:20 to 1:10 from this temperature. This temperature is between 200 ° C and 500 ° C, for example. With other gaseous fuels, other suitable mixing ratios may result. so that the specified change in the mixing ratio for natural gas is only used as an example to explain the invention
  • this type of control means it is particularly possible to start up the burner in the cold state with a ratio of fuel flow B to air flow (in particular to the sum of the first and second, preheated partial air flow) of 1:20.
  • a ratio of fuel flow B to air flow in particular to the sum of the first and second, preheated partial air flow
  • the burner is preferably operated with the full amount of air initially at half power, and can then be continued at full power when certain temperature conditions are reached that also allow adequate stabilization of the flame. In this way, a stable flame can be generated in the various heating stages of the burner despite the high exit speed in the area of the combustion chamber opening.
  • the burner optionally has means to switch the burner to operation with flameless oxidation.
  • means are provided for deflecting the flow of the fuel flow and / or the first partial air flow, when activated by the control device, the flame is destabilized and extinguished .
  • the burner is also designed in such a way that flameless oxidation of fuel and air takes place outside the combustion chamber opening, and these air escape at high speed from the combustion chamber opening. This presupposes that the temperature in this area has reached a value above the ignition temperature of the mixture, ie around 800 ° C.
  • appropriate temperature monitoring means are provided which are connected to the control means.
  • the invention also encompasses a method for operating a burner according to one embodiment of the invention, in which the control means control a fuel flow and at least one partial air flow in such a way that a stable flame is formed which extends from the mixing and ignition device through the Combustion chamber opening extends through into the boiler room.
  • the method includes the optional measure that the control means increase the ratio of fuel flow to air flow after a predetermined parameter value has been reached.
  • the control items as already described, increase the fuel flow with an approximately constant air flow.
  • the control means change the ratio of fuel flow to air flow from 1:20 to 1:10.
  • the aforementioned air flow is composed of a first and a second partial air flow.
  • the predetermined parameter value is a temperature in a room to be heated and this temperature is between 200 ° C and 500 ° C lies. This procedure has the advantages mentioned above.
  • the method provides in one embodiment that a temperature TH of the heating room is determined and, when a predetermined temperature TH above the ignition temperature of the fuel / air mixture is reached, the flow of the fuel stream and / or the fuel flow first partial air flow is deflected so that the flame is destabilized and extinguished, and then outside the combustion chamber opening a flameless oxidation of fuel and air takes place, which exit from the combustion chamber opening.
  • FIG. 1 shows a schematic section through a first embodiment of a burner according to the invention
  • FIG. 2 shows an illustration of an embodiment of control means for controlling a burner in a flow diagram
  • FIG. 3 shows a schematic section through a second embodiment of a burner according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic section through a third embodiment of a burner according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a first embodiment of a burner 10 according to the invention, on the basis of which the essential features of the invention are to be explained.
  • the structure of the burner is not to be understood as limiting and FIG. 1 in particular only shows a schematic representation of the components and component dimensions. The same applies to FIGS. 3 and 4, which show further embodiments. Designs without a recuperator are also included.
  • the burner 10 is built into a furnace wall 20 and generates a flame 56 with which a heating space 55 is to be heated. In this embodiment, it is an open flame, which heats the heating space 55 directly.
  • a radiant tube is used.
  • FIG. 4 Such an embodiment is shown in FIG. 4.
  • the burner 10 has a mixing and combustion chamber 54 which is formed by an air supply 30 in the form of an air supply pipe. Combustion air is introduced into this air supply 30 (not shown) and flows as the first partial air flow L1 into the mixing and supplying Combustion chamber 54.
  • an ignition and mixing device 51 is attached, which is connected to a fuel supply 50 through which fuel is supplied to the ignition and mixing device 51.
  • the fuel is, for example, natural gas.
  • the ignition and mixing device 51 is designed in a suitable manner such that the fuel emerges from it in such a way that a stable flame 56 can arise through ignition of the mixture of fuel flow B and first partial air flow 11.
  • a stable flame 56 can arise through ignition of the mixture of fuel flow B and first partial air flow 11.
  • FIG. 1 shows that several fuel flows emerge laterally at an angle from the ignition and mixing device 51, but this is not to be understood as limiting. Any other suitable ignition and mixing device 51 can also be used.
  • the burner also has a recuperator 40, which surrounds the air supply pipe 30. From the heating space 55, hot exhaust gases A1 are drawn into the recuperator 40 and a second partial air flow L2 is heated in the opposite direction.
  • the first partial air flow L1 can also have been preheated in the recuperator 40.
  • the second, preheated partial air flow L2 is fed to the heating space 55. This takes place in the area of an elongated flame 56, this flame 56 having different flame areas.
  • a first flame area 56a is located inside the mixing and combustion chamber 54, the air supply pipe 30 forming a combustion chamber opening 53 through which the flame 56 extends from the ignition and mixing device 51.
  • a second flame area 56b is formed in the heating space 55 in front of the combustion chamber opening 53.
  • the second, preheated partial air flow L2 from the recuperator 40 is fed to this flame region 56b.
  • hot exhaust gases A2 are sucked from the heating space 55 into the flame area 56b
  • the cross section of the combustion chamber opening 53 related to the burner output is in the range between 1.5 mm 2 / kW and 5 mm 2 / kW, particularly preferably between 2.5 mm 2 / kW and 3.5 mm 2 / kW. This results in high exit velocities at the combustion chamber opening 53, which result in low NOx values in the flame region 56b.
  • a heating-up phase with a specific control of fuel flow B and the partial air flows L1, L2 is preferably carried out in order to be able to generate a stable flame 56 even when the burner 10 is cold.
  • control means 60 are provided, the structure of which is shown in FIG. 2 can be found.
  • a burner 10 is equipped with control means 60 which enable the burner 10 to be supplied with fuel and air.
  • the fuel is referred to in the following simply as gas.
  • An adjusting valve 61, a gas valve 63, a compensator 64 and a ball valve 65 for connection to a gas supply are provided in series for the flow of gas, starting from the burner 10 (not shown).
  • An adjusting valve 66, an air valve 67, a compensator 68 and a slide 69 for connection to an air supply are provided in series for the flow of air, starting from the burner 10 (not shown).
  • a constant pressure regulator 62 with a gas valve and a further gas valve 62a in the bypass are provided in parallel between the setting valve 61 and the gas valve 63.
  • An impulse line 70 branches off between the setting valve 66 and the air valve 67 to the constant pressure regulator 62 with the gas valve.
  • the burner can initially be started in the cold state with a ratio of fuel to air of about 1:20, which enables a stable flame 56 to be formed.
  • the full amount of air is already made available while the fuel flow via valve 62a is initially reduced.
  • the fuel flow can be increased from a predetermined temperature, since the flame 56 is now stabilized even with a higher fuel content. From this temperature, the fuel flow is switched from valve 62a to valve 62, the fuel flow is increased and, for example, a ratio of fuel to air of about 1:10 is set.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the burner 11 according to the invention, in which, however, the recuperator 40 forms the combustion chamber opening 53 '.
  • the second partial air flow L2 'preheated in the recuperator 40' flows together with the first partial air flow L1 in the mixing and combustion chamber 54 '.
  • the flame 56 with the two flame areas 56a and 56b is formed analogously, however, and the other components also correspond to the embodiment of FIG. 1.
  • Only the cross section of the combustion chamber opening 53 'related to the burner output is in the range between 3 mm 2 / kW and 10 mm 2 / kW, particularly preferably between 3 mm 2 / kW and 6 mm 2 / kW.
  • FIG. 4 shows a burner 12 according to the embodiment of FIG. 3, in which a heating space 55 'to be heated is arranged within a flame tube 42.
  • the flame tube 42 is surrounded by a radiant tube 41, which is used for indirect heating from the furnace wall 20 into a furnace interior protrudes.
  • the flame tube 42 within the radiant tube 41 allows the flow of hot exhaust gases A3 back to the burner 12, whereby they are either fed to the recuperator as exhaust gases A1 or sucked in as exhaust gases A2 from the flame region 56b.
  • the invention can achieve NOx values in the range from 50 to 150 mg / No. 3 based on 3% O 2 in the dry exhaust gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner (10;11;12) zum Eiwärmen eines Heizraumes (55;55') mit Reduzierung von NOx-Emissionen. Der Brenner (10; 11; 12) umfasst eine Misch- und Brennkammer (54;54'), eine Misch- und Zündeinrichtung (51 ): die in der Misch- und Brennkammer (54;54') angeordnet ist, und eine Brennstoffzuführung (50), die mit der Misch- und Zündeinrichtung (51) verbunden und zur Zuführung von Brennstoff zu der Misch- und Zündeinrichtung (51) ausgebildet ist. Ferner ist eine Luftzuführung (30;30') vorgesehen, die zur Zuführung wenigstens eines Luftteil-Stroms (L1) zu der Misch- und Brennkammer (54;54') ausgebildet ist. Eine Brennkammeröffnung (53;53') öffnet die Misch- und Brennkammer (54;54') zu einem zu erwärmenden Heizraum (55;55') hin. Darüber hinaus sind Steuermittel (60) ausgebildet zur Steuerung eines Brennstoffstromes (B) über die Brennstoffzuführung (50) und zur Steuerung wenigstens eines Luftteilstromes (L1) über die Luftzuführung (30;3Q'), wobei der Brenner (10;11;12) und die Steuermittel (60) zum Betreiben des Brenners (10; 11; 12) mit einer stabilen Flamme (56;56') ausgebildet sind, die sich von der Misch- und Zündeinrichtung (51) durch die Brennkammeröffnung (53;53') hindurch in den Heizraum (55;55') erstreckt. Dabei liegt der auf die Brennerleistung bezogene Querschnitt der Brennkammeröffnung (53;53') im Bereich zwischen 1,5 mm2/kW und 10 mm2/kW.

Description

Brenner zum Reduzieren von NOx-Emissionen und
Verfahren zum Betreiben des Brenners
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Erwärmen eines Heizraumes mit der Redu- zierung von NOx-Emissionen, umfassend eine Misch- und Brennkammer und eine Brennkammeröffnung, welche die Misch- und Brennkammer zu einem zu erwärmen- den Heizraum hin öffnet. In der Misch- und Brennkammer wird eine Flamme erzeugt, mit deren Hitze der Heizraum erwärmt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfah- ren zum Betreiben eines solchen Brenners.
Derartige Brenner werden insbesondere zur Beheizung von Ofenriumen bei indust- riellen Thermoprozessaniagen eingesetzt, wobei es sich beispielsweise um Kam- meröfen zur Wärmebehandlung, Herdwagenöfen zum Erwärmen und Schmieden, Rollenherdöfen oder Drehherdöfen handeln kann. Diese Beispiele sind jedoch ledig- lich exemplarisch zu verstehen, denn die Anwendung von derartigen Industriebren- nern ist vielfältig. Die Brenner werden mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff zusammen mit Luft oder Sauerstoff betrieben. Hierbei werden zunehmend Impuls- oder Hochleis- tungsbrenner eingesetzt, bei denen Brennstoff und Luft in einer Brennkammer ver- mischt und gezündet werden. Die entstehenden heißen Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit durch eine Brennkammeröffnung in den zu beheizenden Heizraum. Bei dem Heizraum kann es sich um einen Ofenraum selbst oder ein
Strahlrohr handeln, welches gasdicht durch eine Ofenwand in einen Ofenraum ragt.
Dabei ist es das Bestreben, bei der Verbrennung möglichst geringe NOx-Werte zu bewirken, was jedoch von verschiedenen Parametern abhängt, die miteinander in Wechselwirkung stehen. Als eine vorteilhafte Maßnahme hat sich beispielsweise das Betreiben eines Industriebrenners in zwei Betriebsarten erwiesen, wobei die zweite Betriebsart eine flammenlose Oxidation beinhaltet, welche niedrige NOx-Werte er- möglicht. Beispielsweise offenbart die EP 0 685 683 B1 einen Industriebrenner, der zwischen einem Anfahrbetrieb mit einer Flamme innerhalb einer Misch- und Brennkammer und einem Heizbetrieb mit flammenloser Oxidation außerhalb der Misch- und Brenn- kammer geschaltet werden kann. Hierzu sind zwei verschiedene Brennsfoffdüsenein- richtungen vorgesehen, mit denen Brennstoff wahlweise in die Misch- und Brenn- kammer (Anfahrbetrieb) und in die Nähe einer Brennkammeraustrittsöffnung ge- bracht werden kann (Heizbetrieb). Das Umschalters zwischen Anfahrbetrieb und Heizbetrieb erfolgt nach Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im Heizraum, wobei diese Temperatur oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoff-/Luft~
Gemischs liegt, damit das Gemisch für eine flammen lose Oxidation ohne zusätzliche Zündung im Bereich der Brennkammeraustrittsöffnung verbrennen kann.
Diese Art von Industrieofen erfordert jedoch zwei verschiedene Brennstoffzuführun- gen und ein Umschatten im Hochtemperaturbetrieb. Darüber hinaus kann er seine geringen NOx-Werte aufgrund der flammenlosen Oxidation nicht in Bereichen eines Heizraumes realisieren, welche die genannte Zündtemperatur nicht erreichen oder noch nicht erreicht haben. Ferner erfordert der Industrieofen eine aufwendige Über- wachung, da die Flamme in der Misch- und Brennkammer nach dem Umschalten in den Heizbetrieb erlischt und der Ofen somit nicht mehr anhand des Vorhandenseins dieser Flamme überwacht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brenner und ein Verfahren zum Betreiben des Brenners bereitzustellen, mit dem sich unter Vermeidung insbesondere der ge- nannten Nachteile geringe NOx-Werte erreichen lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brenner gemäß dem unabhängi- gen Anspruch 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen des Brenners ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-13. Die Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Be- treiben eines solchen Brenners gemäß Anspruch 14 und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 15 bis 19 gelöst
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merk- male in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakteri- siert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Mit dem erfindungsgemäßen Brenner lässt sich ein Heizraum erwärmen, wobei es sich bei dem Heizraum beispielsweise um einen Ofenraum oder ein Strahlrohr han- delt, welches in einen zu beheizenden Ofenraum hineinragt. Der Brenner kann daher mit einer offenen Feuerung oder einem Strahlrohr betrieben werden. Als Strahlrohr können verschiedene Arten von Strahlrohren zum Einsatz kommen. Beispielsweise handelt es sich um ein Strahlrohr vom SER-Typ (Single Ended Radiant Tube). Es können aber beispielsweise auch Strahlrohre vom P-Typ oder DP-Typ eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ein Ofenraum mit mehreren Brennern ausgestatet. Es handelt sich um einen Industriebrenner, der insbesondere zur direkten Beheizung von Ofenräumen bei industriellen Thermoprozessanlagen eingesetzt wird. Mit dem Aufbau und der Betriebsweise des erfindungsgemäßen Brenners lassen sich die NOx-Emissionen reduzieren, wobei der Brenner jedoch weitere Vorteile mit sich bringt
Der erfindungsgemäße Brenner weist hierzu eine Misch- und Brennkammer auf, in- nerhalb der eine Misch- und Zündeinrichtung angeordnet ist. Eine Brennstoffzufüh- rung ist mit der Misch- und Zündeinrichtung verbunden und zur Zuführung von Brennstoff zu der Misch- und Zündeinrichtung ausgebildet. Ferner ist eine Luftzufüh- rung vorgesehen, die zur Zuführung eines ersten Lufteilstroms zu der Misch- und Brennkammer ausgebildet ist. Der Brenner wird mit Luft und einem Brennstoff betrie- ben, der flüssig oder vorzugsweise gasförmig ist. Beispielsweise wird Erdgas einge- setzt Die Misch- und Brennkammer öffnet sich über eine Brennkammeröffnung zu dem zu erwärmenden Heizraum.
Ferner sieht der Brenner Steuermitel vor, die ausgebildet sind zur Steuerung eines Brennstoffstromes B über die Brennstoffzuführung und zur Steuerung wenigstens eines Luftteilstromes über die Luftzuführung. Der Brenner und diese Steuermittel sind zum Betreiben des Brenners mit einer stabilen Flamme ausgebildet, die sich von der Misch- und Zündeinrichtung durch die Brennkammeröffnung hindurch in den Heizraum erstreckt. Ein solche langgestreckte Flamme weist Flammenbereiche mit verschiedenen Charakteristika auf. Wenigstens handelt es sich um einen ersten Flammenbereich innerhalb der Misch- und Brennkammer, der z.B. durch eine lonisa- tionselektrode detektierbar ist. Außerhalb der Brennkammeröffnung wird ein zweiter Flammenbereich ausgebildet, der durch die Hochgeschwindigkeit der austretenden Ströme gekennzeichnet ist.
Erfindungsgemäß liegt der auf die Brennerleistung bezogene Querschnit der Brenn- kammeröffnung im Bereich zwischen 1,5 mm2/kW und 10 mm2/kW. In einer Ausfüh- rungsform der Erfindung liegt der auf die Brennerleistung bezogene Querschnitt der Brennkammeröffnung im Bereich zwischen 1 ,5 mm2/kW und 8 mm2/kW, bevorzugt zwischen 1 ,5 mm2/kW und 6 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 1 ,5 mm2/kW und 5 mm2/kW. Mit diesen Werten lassen im Bereich der Brennkammeröffnung sehr hohe Austritts- geschwindigkeiten erreichen, durch welche wiederum Abgase aus dem Heizraum in verstärktem Maße in die Flamme in diesem Bereich angesaugt werden. Dabei wird der Querschnitt der Brennkammeröffnung wesentlich kleiner gewählt, als dies bei bekannten Brennern der Fall ist. Beispielsweise ergeben sich bei bekannten Luft/Brennstoff-Brennern oftmals auf die Brennerleistung bezogene Querschnitte der Brennkammeröffnung von über 10 mm2/kW. Eine erhebliche Reduzierung dieses Wertes wird vermieden, da erfahrungsgemäß die Flamme dann nicht mehr stabil und zuverlässig betrieben werden kann. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zu- grunde, dass sich bei geeignetem Aufbau und Betrieb eines Brenners auch Werte wesentlich unter 10 mm2/kW realisieren lassen. Insbesondere erfolgt dies zusammen mit der Erzeugung einer stabilen Flamme im Bereich der Zünd- und Mischeinrich- tung. Die Steuermittel und die Misch- und Zündeinrichtung sind daher dazu ausgebil- det, in der Misch- und Brennkammer eine stabile Flamme zu erzeugen. Durch die Erfindung ergeben sich an der Brennkammeröffnung höhere Austrittsge- schwindigkeiten, die wiederum eine Verstärkung der Ansaugung von Abgasen aus dem Heizraum bewirken, wodurch die NOx-Emissionen reduziert werden können. Es können NOx-Werte im Bereich von 5 bis 100 mg/Nm3 bzw. mit einem SER-Strahirohr von 50 bis 150 mg/Nm3 bezogen auf 3% O2 im trockenen Abgas erzielt werden. Dar- über hinaus lässt sich insbesondere bei einem langen SER-Strahlrohr, durch die er- höhten Austrittsgeschwindigkeiten, das Temperaturprofil im Heizraum verbessern Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass die stabile Flamme im Bereich der Misch- und Zündeinrichtung fortlaufend detektierbar und damit überwachbar ist. In einer Ausführungsform der Erfindung sind daher in der Misch- und Brennkammer Flam- menüberwachungsmittel vorgesehen, die zur Detektion einer Flamme im Bereich der Misch- und Zündeinrichtung ausgebildet sind. Bei den Flammenüberwachungsmitteln handelt es sich beispielsweise um einen lonisationsstab, der in einen Bereich der Flamme ragt Die Flammenüberwachungsmittei werden dazu eingesetzt, das Vor- handensein der Flamme in der Misch- und Brennkammer zu überwachen, was ge- genüber Lösungen mit Hochtemperaturumschaltung vergleichsweise einfach und verlässlich durchzuführen ist.
So kann die Funktion des Brenners auf einfache Weise anhand des Vorhandenseins der Flamme in der Brennkammer überwacht werden. Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit, für die Erzielung niedriger NOx-Werte im Bereich von 5 bis 100 mg/Nm3 bzw. 50 bis 150 mg/Nm3 bezogen auf 3% O2 im trockenen Abgasinsbesondere keine flammenlose Oxidation einsetzen zu müssen, deren Überwachung aufwendig und vergleichsweise unsicher ist, da keine überwachbare Flamme vorhanden ist
Ferner ist mit dem eifindungsgemäßen Brenner bereits ab einer Heizraumtemperatur von etwa 300 bis 500 °C eine NOx-Reduzierung möglich, während dies bei Einsatz der flammenlosen Oxidation erst bei Temperaturen von etwa 800°C möglich ist. So lässt sich der erfindungsgemäße Brenner vorteilhaft in Bereichen einer Thermopro- zessanlage einsetzen, in denen hohe Leistung gefordert ist, die Temperatur in einem zu beheizenden Bereich aber nicht oder noch nicht Ober 800°C liegt. Beispielsweise in den leistungsstarken ersten Zonen eines Durchlaufofens ist der erfindungsgemäße Brenner voll wirksam.
Vorzugsweise ist ferner ein Rekuperator vorgesehen, welcher die Luftzuführung des Brenners wenigstens teilweise umgibt. Die Erfindung kann jedoch auch bei Brenner- bauformen ohne Rekuperator eingesetzt werden. Derartige Rekuperatoren können auf vielfältige Art ausgebiidet sein und weisen im Wesentlichen Mittel zur Aufnahme von heißen Abgasen aus einem Heizraum in den Rekuperator auf. Ferner weisen sie Mittel zur Zuführung von Lut für die Verbrennung zu dem Rekuperator und zur Er- wärmung dieser Verbrennungsluft mittels der durch den Rekuperator geführten hei- ßen Abgase auf. Der Rekuperator ist entsprechend ausgebildet, um einen geeigne- ten Wärmeübergang zwischen heißen Abgasen und der zugeführten Verbrennungs- lust zu realisieren. Über den Rekuperator ist somit ein zweiter Luftstrom L2 der Misch- und Brennkammer oder dem Heizraum außerhalb der Misch- und Brenn- kammer zuführbar. Ob dieser zweite Luftstrom L2 aus dem Rekuperator der Misch- und Brennkammer oder direkt dem zu beheizenden Heizraum zugeführt wird, hängt von der Bauform des Brenners ab. Der erste Luftteilstrom L1 kann optional ebenfalls durch den Rekuperator vorgewärmt werden.
Auch die erreichbaren Querschnitte der Brennkammeröffnung hängen wesentlich von der Bauform des Brenners mit Rekuperator ab, da die durch den Rekuperator vorgewärmte Verbrennungsluft auf verschiedene Arten der Verbrennung zugeführt werden kann, ln einer Ausführungsform der Erfindung ist die Luftzuführung bei- spielsweise durch ein Luftzuführungsrohr gebildet ist, innerhalb dessen die Miseh- und Zündeinrichtung so angeordnet ist, dass sich die Misch- und Brennkammer aus- bildet. Das Luftzuführungsrohr bildet dabei die Brennkammeröffnung aus. Bei einer solchen Bauform lassen sich sehr geringe Durchmesser für die Brennkammeröffnung realisieren, wobei der auf die Brennerleistung bezogene Querschnitt der Brennkam- meröffnung beispielsweise im Bereich zwischen 1,5 mm2/kW und 5 mm2/kW, beson- ders bevorzugt zwischen 2,5 mm2/kW und 3,5 mm2/kW liegt.
Bei einer Bauform mit Rekuperator wird der zweite Luftteilstrom L2 beispielsweise von dem Rekuperator in den Heizraum geleitet. Es erfolgt dann keine Zuführung ei- nes zweiten, vorgewärmten Luftstroms L2 direkt in die Misch- und Brennkammer, sondern dieser zweite Luftteilstrom L2 wird dem Flammenbereich außerhalb der Misch- und Brennkammer zugeführt. In einer anderen Bauform des Brenners mit Rekuperator wird die Lutzuführung ebenfalls durch ein Luftzuführungsrohr gebildet, innerhalb dessen die Misch- und Zündeinrichtung so angeordnet ist, dass sich die Misch- und Brennkammer ausbildet. In dieser Ausführungsform bildet jedoch der Rekuperator die Brennkammeröffnung aus, während der zweite, vorgewärmte Luftteilstrom L2 von dem Rekuperator vor- zugsweise ebenfalls in die Misch- und Brennkammer geleitet wird. Der Gesamtluft- strom in die Misch- und Brennkammer ist somit höher als bei der zuvor beschriebe- nen Ausführungsform, aber es lassen sich dennoch sehr geringe Durchmesser für die Brennkammeröffnung realisieren, wobei der auf die Brennerleistung bezogene Querschnit der Brennkammeröffnung im Bereich zwischen 3 mm2/kW und
10 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 3 mm2/kW und 6 mm2/kW liegt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Steuermittel ferner dazu ausgebil- det, nach Erreichen eines vorbestimmten Parameterwertes das Verhältnis von Brennstoffstrom B zum Luftstrom zu variieren, insbesondere zu erhöhen. Bei Bau- formen mit Rekuperator und somit mehreren Luftteilströmen wird das Verhältnis von Brennstoffstrom B zur Summe aus erstem und zweitem, vorgewärmten Luftstrom variiert, insbesondere erhöht In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Steu- ermittel vorzugsweise dazu ausgebildet, nach Erreichen eines vorbestimmten Para- meterwertes den Brennstoffstrom B bei annähernd gleichbleibendem Luftstrom (ins- besondere Summe aus erstem und zweitem, vorgewärmten Luftstrom) zu erhöhen. Der vorbestimmte Parameterwert ist ein Temperaturwert, wobei es sich insbesonde- re um eine Referenztemperatur in einem zu beheizenden Raum bzw. in einer be- stimmten Zone innerhalb des zu beheizenden Raums handelt (Zonentemperatur).
Bei dem Raum muss es sich jedoch nicht um den Heizraum gemäß der Erfindung handeln, sondern es wird ein geeigneter Referenzpunkt für eine Temperatur be- stimmt, die je nach Einbausituation des Brenners variieren kann. Die Referenztempe- ratur ist vorzugsweise so gewählt oder experimentell bestimmt, dass beispielsweise bei der Verwendung von Erdgas als Brennstoff ab dieser Temperatur das Verhältnis von Brennstoffstrom B zum Luftstrom von 1 :20 auf 1 :10 verändert werden kann. Die- se Temperatur liegt beispielsweise zwischen 200°C und 500°C. Bei anderen gasför- migen Brennstoffen können sich andere geeignete Mischungsverhältnisse ergeben, so dass die angegebene Veränderung des Mischungsverhältnisses für Erdgas ledig- lich exemplarisch zur Erläuterung der Erfindung dient
Mit dieser Art von Steuermitteln ist es insbesondere möglich, den Brenner im kalten Zustand mit einem Verhältnis von Brennstoffstrom B zum Luftstrom (insbesondere zur Summe des ersten und zweiten, vorgewärmten Luftteilstromes) von 1:20 anzu- fahren. Dies ermöglicht die Ausbildung einer stabilen Flamme, die sich durch die Brennkammeröffnung in den Heizraum erstreckt Erwärmen sich der Brenner und der Ofen mit fortschreitendem Betrieb des Brenners, kann das Verhältnis jedoch auf 1:10 gefahren werden, ohne dass die Flamme dadurch destabilisiert wird. Der Brenner wird vorzugsweise bei voller Luftmenge zunächst mit halber Leistung betrieben, und kann dann mit voller Leistung weitergefahren werden, wenn bestimmte Temperatur- bedingungen erreicht sind, die ebenfalls eine ausreichende Stabilisierung der Flam- me ermöglichen. So kann in den verschiedenen Erwärmungsstadien des Brenners trotz der hohen Austritsgeschwindigkeit im Bereich der Brennkammeröffnung eine stabile Flamme erzeugt werden.
Optional weist der Brenner Mittel auf, um den Brenner in einen Betrieb mit flammen- loser Oxidation umzuschalten, Hierzu sind beispielsweise Mittel zur Strömungsum- lenkung des Brennstoffstromes und/oder des ersten Lufteilstromes vorgesehen, bei deren Aktivierung durch die Steuermitel die Flamme destabilisiert und gelöscht wird. Der Brenner ist fernerso ausgebildet, dass dann außerhalb der Brennkammeröff- nung eine flammenlose Oxidation von Brennstoff und Luft statfindet, die unter hoher Geschwindigkeit aus der Brennkammeröffnung austreten. Dies setzt voraus, dass die Temperatur in diesem Bereich einen Wert oberhalb der Zündtemperatur des Ge- mische erreicht hat, d.h. in etwa 800°C, Hierfür sind entsprechende Temperatu- rüberwachungsmittel vorgesehen, die in Verbindung mit den Steuermitteln stehen. Auch bei dieser flammenlosen Oxidation bewirken die erhöhten Austrittsgeschwin- digkeiten von Brennstoff und Luft an der Brennkammeröffnung eine vorteilhafte An- saugung von Abgasen in einem erhöhten Maß, was wiederum die NOx-Werte redu- ziert. Eine derartige Strömungsumlenkung für ein Umschalten in die flammenlose Oxidati- on kann beispielsweise durch eine verlängerte Brennstofflanze realisiert werden, die bis in den Bereich der Brennkammeröffnung ragt, wie es in der EP 0 685 683 B1 vorgeschlagen wird. Möglich ist es auch die Ansteuerung eines veränderten Austritts von Brennstoff aus der Zünd- und Mischeinrichtung
Von der Erfindung umfasst ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners nach einer Ausführungsform der Erfindung, bei dem die Steuermitel einen Brenn- stoffstrom und wenigstens einen Luftteilstrom so ansteuern, dass sich eine stabile Flamme ausgebildet, die sich von der Misch- und Zündeinrichtung durch die Brenn- kammeröffnung hindurch in den Heizraum erstreckt.
Das Verfahren umfasst insbesondere für eine Anheizphase die optionale Maßnahme, dass die Steuermittel nach Erreichen eines vorbestimmten Parameterwertes das Verhältnis von Brennstoffstrom zu Luftstrom erhöhen. Insbesondere erfolgt dies, in- dem die Steuermitel wie bereits beschrieben den Brennstoffstrom bei annähernd gleichbleibendem Luftstrom erhöhen. Beispielsweise verändern die Steuermittel das Verhältnis von Brennstoffstrom zu Luftstrom von 1:20 auf 1:10. Bei Bauformen mit Rekuperator setzt sich der vorgenannte Luftstrom zusammen aus einem ersten und zweiten Luftteilstrom, Auch das Verfahren sieht folglich vor, dass es sich bei dem vorbestimmten Parameterwert um eine Temperatur in einem zu beheizenden Raum handelt und diese Temperatur zwischen 200°C und 500°C liegt. Diese Verfahrens- führung hat die zuvor genannten Vorteile. Für ein optionales Umschalten in einen Betrieb mit flammenloser Oxidation sieht das Verfahren in einer Ausführungsform vor, dass eine Temperatur TH des Heizraumes ermittelt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur TH oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches die Strömung des Brennstoffstroms und/oder des ersten Luftteilstromes so umgelenkt wird, dass die Flamme destabili- siert und gelöscht wird, und dann außerhalb der Brennkammeröffnung eine flammen- lose Oxidation von Brennstoff und Luft stattfindet, die aus der Brennkammeröffnung austreten. Diese Verfahrensführung hat die zuvor genannten Vorteile. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevor- zugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners;
Fig. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform von Steuermiteln zur Steue- rung eines Brenners in einem Fließschema;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners; und
Fig. 4 einen schematischen Schnit durch eine drite Ausführungsform eines erfindungsgemißen Brenners.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners 10, anhand dessen die wesentlichen Merkmale der Erfindung erläutert werden sollen. Der Aufbau des Brenners ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen und Fig. 1 gibt insbesondere nur eine schematische Darstellung der Komponenten und Bauteilabmessungen wieder. Das Gleiche gilt für die Figuren 3 und 4, die weite- re Ausführungsformen zeigen. Es sind ebenso Bauformen ohne Rekuperator mit ein- bezogen.
Der Brenner 10 ist in eine Ofenwand 20 eingebaut und erzeugt eine Flamme 56, mit welcher ein Heizraum 55 zu beheizen ist. In dieser Ausführungsform handelt es sich um eine offene Flamme, welche den Heizraum 55 direkt beheizt Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen mit indirekter Beheizung möglich, bei denen ein Strahlrohr verwendet wird. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig. 4. Der Brenner 10 weist eine Misch- und Brennkammer 54 auf, welche durch eine Luft- zuführung 30 in Form eines Luftzuführungsrohres gebildet wird ln diese Luftzufüh- rung 30 wird Verbrenn ungsluft eingebracht (nicht dargestellt) und strömt als erster Luftteilstrom L1 in die Misch- und Brennkammer 54. Innerhalb dieses Luftzuführungs- rohres 30 ist eine Zünd- und Mischeinrichtung 51 angebracht, die mit einer Brenn- stoffzuführung 50 verbunden ist, durch welche der Zünd- und Mischeinrichtung 51 Brennstoff zugeführt wird. Bei dem Brennstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas.
Die Zünd- und Mischeinrichtung 51 ist auf geeignete Weise so ausgebildet, dass der Brennstoff so aus ihr austritt, dass durch Zündung des Gemisches aus Brennstoff- strom B und erstem Luftteilstrom 11 eine stabile Flamme 56 entstehen kann. In der schematischen Darstellung der Fig. 1 treten hierfür mehrere Brennstoffströme seitlich in einem Winkel aus der Zünd- und Mischeinrichtung 51 aus, aber dies ist nicht ein- schränkend zu verstehen. Jede andere geeignete Zünd- und Mischeinrichtung 51 kann ebenfalls eingesetzt werden.
Der Brenner weist in dieser Ausführungsform ferner einen Rekuperator 40 auf, wel- cher das Luftzuführungsrohr 30 umgibt. Aus dem Heizraum 55 werden heiße Abgase A1 in den Rekuperator 40 eingezogen und ein zweiter Luftteilstrom L2 wird im Ge- genstrom erwärmt. Optional kann auch der erste Luftteilstrom L1 im Rekuperator 40 vorgewärmt worden sein. Der zweite, vorgewärmte Luftteilstrom L2 wird dem Heiz- raum 55 zugeführt. Dies erfolgt im Bereich einer langgestreckten Flamme 56, wobei diese Flamme 56 verschiedene Flammenbereiche aufweist. Ein erster Flammenbe- reich 56a befindet sich innerhalb der Misch- und Brennkammer 54, wobei das Luftzu- führungsrohr 30 eine Brennkammeröffnung 53 bildet, durch welche sich die Flamme 56 von der Zünd- und Mischeinrichtung 51 aus erstreckt. Ein zweiter Flammenbe- reich 56b bildet sich im Heizraum 55 vor der Brennkammeröffnung 53 aus. Diesem Flammenbereich 56b wird der zweite, vorgewärmte Luftteilstrom L2 aus dem Reku- perator 40 zugeführt. Gleichzeitig werden heiße Abgase A2 aus dem Heizraum 55 in den Flammenbereich 56b eingesaugt Bei diesem Aufbau des Brenners liegt der auf die Brennerleistung bezogene Quer- schnitt der Brennkammeröffnung 53 im Bereich zwischen 1 ,5 mm2/kW und 5 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 2,5 mm2/kW und 3,5 mm2/kW. Hierdurch ergeben sich hohe Austrittsgeschwindigkeiten an der Brennkammeröffnung 53, die niedrige NOx-Werte im Flammenbereich 56b bewirken. In Summe mit der NOx- Bildung der Flamme 56 innerhalb der Misch- und Brennkammer lassen sich bei offe- ner Feuerung insgesamt geringe NOx-Werte im Bereich von 5 bis 100 mg/Nm3 be- zogen auf 3% O2 im trockenen Abgas erzielen. Ferner lässt sich die Flamme 56 gut überwachen, wobei hierzu in der Misch- und Brennkammer 54 ein lonisationsstab 52 vorgesehen ist, mit dem sich das Vorhandensein der Flamme 56 detektieren lässt.
Um den Brenner in den Betriebszustand der Fig. 1 zu bringen, erfolgt vorzugsweise eine Anheizphase mit einer bestimmten Ansteuerung von Brennstoffstrom B und den Luftteilströmen L1 , L2, um auch bei kaltem Brenner 10 eine stabile Flamme 56 er- zeugen können. Hierzu sind Steuermittel 60 vorgesehen, deren Aufbau beispielhaft der Flg. 2 zu entnehmen ist. Ein Brenner 10 ist mit Steuermitteln 60 ausgestatet, die eine Versorgung des Brenners 10 mit Brennstoff und Luft ermöglichen. Der Brenn- stoff wird im Folgenden vereinfacht als Gas bezeichnet. Für den Strom des Gases sind ausgehend vom Brenner 10 in Reihe ein Einstellventil 61 , ein Gasventil 63, ein Kompensator 64 und ein Kugelhahn 65 für den Anschluss an eine Gasversorgung vorgesehen (nicht dargestellt). Für den Strom der Luft sind ausgehend vom Brenner 10 in Reihe ein Einstellventil 66, ein Luftventil 67, ein Kompensator 68 und ein Schieber 69 für den Anschluss an eine Luftversorgung vorgesehen (nicht darge- stellt). Zwischen Einstellventil 61 und Gasventil 63 sind in Parallelschaltung ein Gleichdruckregler 62 mit einem Gasventil und eine weiteres Gasventil 62a im Bypass vorgesehen. Zwischen Einstellventil 66 und dem Luftventil 67 zweigt eine Impulslei- tung 70 zum Gleichdruckregler 62 mit dem Gasventil ab.
Mit diesen Steuermitteln kann der Brenner zunächst im kalten Zustand mit einem Verhältnis von Brennstoff zu Luft von etwa 1:20 angefahren werden, was die Ausbil- dung einer stabilen Flamme 56 ermöglicht. Dabei wird bereits die volle Luftmenge zur Verfügung gestellt, während der Brennstoffstrom über das Ventil 62a zunächst reduziert ist. ln Abhängigkeit von dem Aufbau des Brenners 10 und den Umge- bungsbedingungen in einem Ofen kann der Brennstoffstrom ab einer vorbestimmten Temperatur erhöht werden, da die Flamme 56 sich nun auch bei einem höheren Brennstoffanteil stabilisiert. Ab dieser Temperatur wird für den Brennstoffstrom vom Ventil 62a auf das Ventil 62 gewechselt, der Brennstoffstrom so erhöht und dabei beispielsweise ein Verhältnis von Brennstoff zu Luft von etwa 1 :10 eingestellt.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners 11 , bei welcher jedoch der Rekuperator 40 die Brennkammeröffnung 53' bildet. Somit mündet der zweite, im Rekuperator 40‘ vorgewärmte Luftteilstrom L2‘ zusammen mit dem ersten Luftteilstrom L1 in der Misch- und Brennkammer 54'. Die Flamme 56 mit den beiden Flammenbereichen 56a und 56b bildet sich jedoch analog aus, und auch die übrigen Komponenten entsprechen der Ausführungsform der Fig. 1. Lediglich der auf die Brennerleistung bezogene Querschnitt der Brennkammeröffnung 53' liegt hier im Bereich zwischen 3 mm2/kW und 10 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 3 mm2/kW und 6 mm2/kW.
Fig. 4 zeigt einen Brenner 12 gemäß der Ausführungsform der Fig 3, bei dem ein zu beheizender Heizraum 55' innerhalb eines Flammenrohres 42 angeordnet ist Das Flammenrohr 42 ist von einem Strahlrohr 41 umgeben, welches für eine indirekte Beheizung aus der Ofenwand 20 in einen Ofeninnenraum hineinragt. Das Flammen- rohr 42 innerhalb des Strahlrohres 41 erlaubt den Strom von heißen Abgasen A3 zurück zum Brenner 12, wobei sie entweder als Abgase A1 dem Rekuperator zuge- führt oder als Abgase A2 von dem Flammenbereich 56b eingesaugt werden. Bei der Verwendung z.B eines SER-Strahlrohres lassen sich mit der Erfindung NOx-Werte im Bereich von 50 bis 150 mg/Nrn3 bezogen auf 3% O2 im trockenen Abgas erzielen. Bezugszeichenliste:
10,11,12 Brenner
20 Ofenwand
30,30' Luftzuführung, Luftzuführungsrohr
40,40' Rekuperator
41 Strahlrohr
42 Flammenrohr
50 Brennstoffzuführung
51 Misch- und Zündeinrichtung
52 Flammenüberwachungsmittel, lonisationsstab
53 Brennerkammeröffnung
54,54' Misch- und Brennkammer
55,55' Heizraum
56 Flamme
56a, 56 b Flammenbereich
60 Steuermittel
61 Einstellventil Gas
62 Gleichdruckregler mit Gasventil V2
62a Gasventil Bypass
63 Gasventil V1
64 Kompensator
65 Kugelhahn
66 Einstellventil Luft
67 Luftventil
68 Kompensator
69 Schieber
70 Impufsteitung
L1 Luftteilstrom
L2 Luftteilstrom, vorgewärmt
B Brennstoffstrom A1 Abgasstrom in Rekuperator
A2 Abgasstrom in Flamme
A3 Abgasstrom Rückführung

Claims

Patentansprüche:
1. Brenner (10; 11 ; 12) zum Erwärmen eines Heizraumes (55;55‘) mit Reduzierung von NOx-Emissionen, umfassend:
eine Misch- und Brennkammer (54;54‘);
eine Misch- und Zündeinrichtung (51), die in der Misch- und Brennkammer
(54;54‘) angeordnet ist;
eine Brennstoffzuführung (50), die mit der Misch- und Zündeinrichtung (51) ver- bunden und zur Zuführung von Brennstoff zu der Misch- und Zündeinrichtung (51) ausgebildet ist;
eine Luftzuführung (30;30‘), die zur Zuführung wenigstens eines Luftteilstroms (L1) zu der Misch- und Brennkammer (54;54‘) ausgebildet ist;
eine Brennkammeröffnung (53;53‘), welche die Misch- und Brennkammer (54;54‘) zu einem zu erwärmenden Heizraum (55;55‘) hin öffnet;
Steuermitel (60), die ausgebildet sind zur Steuerung eines Brennstoffstromes (B) über die Brennstoffzuführung (50) und zur Steuerung wenigstens eines Luft- teilstromes (L1) über die Luftzuführung (30;30‘), wobei der Brenner (10;11 ;12) und die Steuermittel (60) zum Betreiben des Brenners <10; 11 ;12) mit einer stabilen Flamme (56;56‘) ausgebildet sind, die sich von der Misch- und Zündein- richtung (51) durch die Brennkammeröffnung (53;53‘) hindurch in den Heizraum (55;55‘) erstreckt;
und der auf die Brennerleistung bezogene Querschnitt der Brennkammeröff- nung (53;53‘) im Bereich zwischen 1 ,5 mm2/kW und 10 mm2/kW liegt
2. Brenner nach Anspruch 1 , wobei der auf die Brennerleistung bezogene Quer- schnitt der Brennkammeröffnung (53;53‘) im Bereich zwischen 1 ,5 mm2/kW und 8 mm2/kW, bevorzugt zwischen 1 ,5 mm2/kW und 6 mm2/kW, besonders bevor- zugt zwischen 1 ,5 mm2/kW und 5 mm2/kW liegt.
3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Luftzuführung durch ein Luftzufüh- rungsrohr (30) gebildet ist, innerhalb dessen die Misch- und Zündeinrichtung (51) so angeordnet ist, dass sich die Misch- und Brennkammer (54) ausbildet, und dass das Luftzuführungsrohr (30) die Brennkammeröffnung (53) bildet.
4. Brenner nach Anspruch 3, wobei der auf die Brennerleistung bezogene Quer- schnitt der Brennkammeröffnung (53) im Bereich zwischen 1,5 mm2/kW und
5 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 2,5 mm2/kW und 3,5 mm2/kW liegt.
5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei er einen die Luftzuführung (30;30‘) wenigstens teilweise umgebenden Rekuperator (40;40‘) aufweist, über welchen ein zweiter Luftteilstrom (L2) der Misch- und Brennkammer (54;54‘) oder dem Heizraum (55;55‘) außerhalb der Misch- und Brennkammer (54) zu- führbar ist.
6. Brenner nach Anspruch 5, wobei die Luftzuführung durch ein Luftzuführungs- rohr (30‘) gebildet ist, innerhalb dessen die Misch- und Zündeinrichtung (51) so angeordnet ist, dass sich die Misch- und Brennkammer (54‘) ausbildet, und dass der Rekuperator (40‘) die Brennkammeröffnung (53‘) bildet, während der zweite Luftteilstrom (L2) von dem Rekuperator (40) in die Misch- und Brenn- kammer (54') geleitet wird.
7. Brenner nach Anspruch 6, wobei der auf die Brennerleistung bezogene Quer- schnitt der Brennkammeröffnung (53‘) im Bereich zwischen 3 mm2/kW und 10 mm2/kW, besonders bevorzugt zwischen 3 mm2/kW und 6 mm2/kW liegt.
8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuermittel (60) dazu ausgebildet sind, nach Erreichen eines vorbestimmten Parameterwertes den Brennstoffstrom (B) bei annähernd gleichem Luftstrom zu erhöhen.
9. Brenner nach Anspruch 8, wobei die Steuermitel (60) dazu ausgebildet sind, das Verhältnis von Brennstoffstrom (B) zu Luftstrom von 1 :20 auf 1:10 zu ver- ändern.
10. Brenner nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei es sich bei dem vorbe- stimmten Parameterwert um eine Temperatur in einem zu beheizenden Raum handelt.
11. Brenner nach Anspruch 10, wobei die Temperatur zwischen 200°C und 500°C liegt.
12. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in der Misch- und Brenn- kammer (54;54') Flammenüberwachungsmittel (52) vorgesehen sind, die zur Detektion einer Flamme (56;56‘) im Bereich der Misch- und Zündeinrichtung (51) ausgebildet sind.
13. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Mittel zur Strömungsumlen- kung des Brennstoffstromes (B) und/oder des ersten Luftteilstromes (L1) vorge- sehen sind, bei deren Aktivierung durch die Steuermittel (60) die Flamme (56;56‘) destabilisiert und gelöscht wird, und der Brenner (10;11;12) so ausge- bildet ist, dass dann außerhalb der Brennkammeröffnung (53;53‘) eine flammen- lose Oxidation von Brennstoff und Luft stattfindet, die aus der Brennkammeröff- nung (53;53‘) austreten.
14. Verfahren zum Betreiben eines Brenners nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 13, bei dem die Steuermittel (60) einen Brennstoffstrom (B) und wenigstens einen Luftteilstrom (L1) so ansteuern, dass sich eine stabile Flamme (56;56‘) ausgebildet, die sich von der Misch- und Zündeinrichtung (51) durch die Brennkammeröffnung (53;53‘) hindurch in den Heizraum (55;55‘) erstreckt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Steuermittel (60) nadf Erreichen eines vorbestimmten Parameterwertes den Brennstoffstrom (B) bei annähernd gleich- bleibendem Luftstrom erhöhen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Steuermittel (60) das Verhältnis von Brennstoffstrom (B) zu Luftstrom von 1 :20 auf 1 :10 verändern.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 und 16, wobei es sich bei dem vorbe- stimmten Parameterwert um eine Temperatur in einem zu beheizenden Raum handelt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Temperatur zwischen 200°C und 500°C liegt
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Temperatur TH des Heizraumes (55;55‘) ermittelt wird und bei Erreichen einer vorbestimmten Tem- peratur TH oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoff/Luft-Gemisches die
Strömung des Brennstoffstroms (B) und/oder des ersten Luftteilstromes (L1) so umgelenkt wird, dass die Flamme (56;56‘) destabilisiert und gelöscht wird, und dann außerhalb der Brennkammeröffnung (53;53‘) eine flammenlose Oxidation von Brennstoff und Luft stattfindet, die aus der Brennkammeröffnung (53;53‘) austreten.
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