EP4666008A1

EP4666008A1 - Brenneranordnung und verfahren zum betreiben einer brenneranordnung

Info

Publication number: EP4666008A1
Application number: EP24700385.8A
Authority: EP
Inventors: Dr. Martin Demuth; Christian Erich Gaber; Gyula PALMAI; Florian Toth; Philipp SCHINDLER
Original assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Current assignee: Messer Austria GmbH; Messer Hungarogaz Kft
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2024-01-04
Publication date: 2025-12-24
Also published as: DE102023103687A1; WO2024170157A1

Abstract

Eine Brenneranordnung zur Ermöglichung einer gestuften Verbrennung umfasst einen eine zentrale Brennstoffzuleitung und eine koaxial zu dieser angeordnete Sauerstoffzuleitung aufweisenden Hochimpulsbrenner, sowie wenigstens eine Hochimpuls-Sauerstofflanze, die vertikal über dem Hochimpulsbrenner angeordnet ist. Eine Steuerung ermöglicht die Einstellung zwischen einem stöchiometrischen Betrieb des Hochimpulsbrenners und einem gestuften Betrieb, in dem zumindest ein Teil der zur stöchiometrischen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen Sauerstoffs über die wenigstens eine Sauerstofflanze zugeführt wird.

Description

Brenneranordnung und Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung zum Ermöglichen einer gestuften Verbrennung in einem Ofenraum. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brenneranordnung.

Eine bekannte Methode zum Reduzieren von NOx - Emissionen in Verbrennungsprozessen besteht in der Stufung der Verbrennungsluft. Hierbei wird die Verbrennungsluft der Flamme in zwei oder mehr Teilströmen aus räumlich weit auseinanderliegenden Positionen zugeführt. Ein Teil der Verbrennungsluft wird somit der Hauptbrennzone vorenthalten, was in der Regel dort zu einer unterstöchiometrischen Verbrennungsreaktion und, im Falle von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, zu einer starken Kohlenmonoxid - Produktion führt. Die dadurch in der Hauptbrennzone vergleichsweise niedrige adiabate Verbrennungstemperatur mindert die Bildung von thermischen Stickoxiden. Zusätzlich werden durch das erzeugte Kohlenmonoxid lokal vorhandene Stickoxide auch direkt reduziert. Die nicht verbrannten Bestandteile des Brennstoffs werden in einer gewissen Entfernung zur Hauptbrennzone durch einen Sekundärluftstrom nachverbrannt. Prominenteste Beispiele für diese Art der Verbrennung sind Boxer-Feuerungen in Kraftwerken, bei denen die Aufteilung der Verbrennungsluft sogar in Primär-, Sekundär- und Tertiärluft erfolgt.

Da bei dieser Art der gestuften Verbrennung ein hoher Platzbedarf besteht, kommen hierfür nur große Brennräume (z.B. Dampfkessel in Kraftwerken) in Frage; für den Einsatz beispielsweise in Glasschmelzöfen sind sie in der Regel ungeeignet. Zudem ist die lokale Produktion von großen Mengen an Kohlenmonoxid aus Gründen der Sicherheit, aber auch wegen damit verbundener Nachteile auf die Produkteigenschaften nicht immer gewünscht.

Sauerstoffbrenner (Oxyfuel-Brenner) nutzen im Gegensatz zu Luftbrennern technisch hochreinen Sauerstoff als Oxidator. Speziell im Fall von Hochtemperatur- Sauerstoffbrennern, wie sie in Glasschmelzöfen zum Einsatz kommen, in denen Brennraumtemperaturen von 1450°C und höher gefordert werden, entstehen jedoch auch hier aufgrund von vorhandenem Reststickstoff im Oxidator bzw. durch den Eintrag von Falschluft in den Ofenraum und Emissionen aus den Einsatzmatenalien sehr hohe Konzentrationen an Stickoxiden. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, das Prinzip der gestuften Verbrennung auch auf derartige Verbrennungsprozesse zu übertragen. Aufgrund der erheblich reduzierten Volumenströme sind Sauerstoffbrenner allerdings deutlich kleiner und kompakter gebaut als Luftbrenner, was die Unterbringung bzw. den nachträglichen Einbau komplexer Gasverteilungssysteme zur Stufung des Sauerstoffs erschwert.

Aus der EP 0 762 050 A1 und der EP 3 366 994 A1 sind Sauerstoff- Brenneranordnungen mit gestufter Verbrennung bekannt. Diese weisen einen Flachflammenbrenner mit ovaler Austrittsöffnung auf, von dem vertikal beabstandet wenigstens eine weitere, gleichfalls ovale geformte Austrittslanze für sekundären Sauerstoff angeordnet ist. Eine solche multiple Sauerstoffzuführung erlaubt es, die über Brenner und Austrittslanze(n) zugeführten Sauerstoffströme zu verändern und unterschiedliche Sauerstoffkonzentration in unterschiedlichen Bereichen des Ofenraums zu realisieren. Je mehr Sauerstoff in äußere Bereiche des Ofenraums geführt wird, desto höher ist die Stufung und damit der Stickoxid-mindernde Effekt. Insbesondere in der Glasproduktion erweist sich darüber hinaus eine gestufte Verbrennung als vorteilhaft, bei der sich aufgrund einer reduzierten Sauerstoffkonzentration unterhalb der Flamme lokal eine an Kohlenmonoxid reiche Atmosphäre ausbildet. Das Kohlenmonoxid wirkt einer Schaumbildung in der Glasschmelze entgegen und vermag darüber hinaus, bereits entstandenen Schaum zurückzubilden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine insbesondere für den Einsatz in Glasschmelzöfen geeignete Oxyfuel-Brenneranordnung zu schaffen, die zu gestufter Verbrennung in der Lage ist und im Betrieb mit gegenüber dem Stand der Technik weiter reduzieren NOx - Emissionswerten aufwarten kann.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Brenneranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine erfindungsgemäße Brenneranordnung, mittels der in einem Ofenraum eine gestufte Verbrennung ermöglicht werden kann, ist mit einem in einem Brennerstein montierten Hochimpulsbrenner, der einen Brennstoffkanal sowie eine koaxial zum Brennstoffkanal angeordnete primäre Sauerstoffzuführung aufweist, mit wenigstens einer oberen Sauerstofflanze, die vertikal beabstandet oberhalb des Hochimpulsbrenners aus dem Brennerstein ausmündet, und mit einer Verteilereinrichtung zum Verteilen eines der Brenneranordnung aus einer Sauerstoffleitung zugeführten Sauerstoffstroms auf die primäre Sauerstoffzuführung und die wenigstens eine Sauerstofflanze ausgerüstet.

Als „Hochimpulsbrenner“ soll hier ein Brennstoff-Sauerstoff-Brenner bezeichnet werden, der so ausgelegt ist, dass im Betrieb des Brenners Brennstoff und/oder Sauerstoff (Oxidant) mit einer Austrittsgeschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s in einen Ofenraum eingetragen werden. Die Ausbildung des Brenners als Hochimpulsbrenner führt im Ofenraum zu einer intensiven Rezirkulation, die die Flammentemperatur senkt und damit die Bildung von NOx hemmt. Weiterhin begünstigen die hohen Austrittsgeschwindigkeiten Strömungsverhältnisse, die zu zeitlich und räumlich fluktuierenden Konzentrationen bestimmte Gase im Umfeld der Flamme führen. Wie unten näher erläutert, erweist sich dieser Umstand insbesondere beim Schmelzen von Glas und/oder beim Beheizen einer Glasschmelze als vorteilhaft, weshalb die erfindungsgemäße Brenneranordnung bevorzugt für den Einsatz in Glasschmelzöfen bestimmt und geeignet ist.

Als „Sauerstofflanze“, soll hier eine Apparatur verstanden werden, mittels der ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere reiner Sauerstoff, strahlförmig in einen Verbrennungsraum eingetragen werden kann. Bevorzugt sind auch die Sauerstofflanzen der erfindungsgemäßen Brenneranordnung als Hochimpulslanzen ausgelegt, aus denen der Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s in den Ofenraum ausgestoßen wird.

Als „reiner Sauerstoff“ soll hier ein Gas verstanden werden, das einen Sauerstoffanteil von mindestens 90 Vol.-%, bevorzugt mindestens 99 Vol.-% aufweist. Bei dem in der erfindungsgemäßen Brenneranordnung, insbesondere dem Hochimpulsbrenner und der wenigstens einen Sauerstofflanze eingesetzten Oxidanten handelt es sich bevorzugt um reinen Sauerstoff.

Der Brennstoffkanal und die Sauerstoffzuführung sind bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch, insbesondere kreiszylinderförmig, geformt und koaxial zueinander angeordnet, wobei der Brennstoffkanal innerhalb der Sauerstoffzuführung oder umgekehrt, die Sauerstoffzuführung innerhalb der Brennstoffzuführung angeordnet sein kann. Zur Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit kann der Brennstoffkanal und/oder die Sauerstoffzuführung im Bereich ihrer jeweiligen Austrittsöffnung in den Ofenraum (Brennermund) konisch zugeformt sein. Der Hochimpulsbrenner ist bevorzugt waagerecht oder in einer Neigung von weniger als 10° gegenüber der Horizontalen durch den Brennerstein geführt.

Die wenigstens eine Sauerstofflanze ist bevorzugt achsparallel zum Hochimpulsbrenner oder gegenüber dessen Brennerachse in einem Winkel von bis zu 15° zu- oder weglaufend geneigt durch den Brennerstein geführt und mündet geodätisch gesehen oberhalb vom Hochimpulsbrenner aus dem Brennerstein aus, d.h. in den Ofenraum ein. Ebenso wie der Hochimpulsbrenner weist auch die wenigstens eine Sauerstofflanze bevorzugt einen kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt auf.

Die Verteilereinrichtung, die zusätzlich zu einer etwaig vorhandenen Regelstrecke zur Regelung der Zufuhr der Gesamtströme von Brennstoff und Sauerstoff zum Einsatz kommt, hat die Aufgabe, den insgesamt zugeführten Sauerstoff auf die Sauerstoffzuführung des Hochimpulsbrenners und die wenigstens eine Sauerstofflanze zu verteilen. „Verteilen“ bedeutet hier, dass zur Einstellung eines anderen regulären Betriebsmodus die jeweils durch die Sauerstoffzuführung bzw. die Sauerstofflanze(n) geführten Sauerstoffströme nicht zu- oder abgeschaltet oder unabhängig voneinander verändert werden, sondern ein insgesamt der Brenneranordnung zugeführter Sauerstoffstrom auch bei einer Änderung des Betriebsmodus gleichbleibt und lediglich unterschiedlich auf die Sauerstoffzuführung und die Sauerstofflanze(n) verteilt wird. Die Verteilereinrichtung ist also so konstruiert, dass während des Betriebs der Brenneranordnung der Sauerstoff ganz oder teilweise von der Sauerstoffzuführung zu der oder den Sauerstofflanzen umgeleitet werden kann und umgekehrt; sind mehrere Sauerstofflanzen vorhanden, können bevorzugt auch die über die einzelnen Lanzen jeweils eingetragenen Sauerstoffströme in die Verteilung einbezogen und in gleicher Weise untereinander variiert werden.

Insbesondere kann so ein erster Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Brenneranordnung gewählt werden, bei dem der über den Hochimpulsbrenner eingetragene Sauerstoff im Wesentlichen stöchiometrisch zum eingetragenen Brennstoff ist, und ein zweiter Betriebsmodus, bei dem über die Sauerstoffzuführung des Hochimpulsbrenners ein unterstöchiometrischer Eintrag erfolgt und die volle Stöchiometrie durch Sauerstoffeintrag über die wenigstens eine, oberhalb des Hochimpulsbrenners angeordnete Sauerstofflanze erfolgt. In diesem zweiten Betriebsmodus bildet sich unterhalb einer durch die Mündungsöffnung des Hochimpulsbrenners in den Ofenraum verlaufenden horizontalen Ebene (im folgenden „Brennerebene“ genannt) eine sauerstoffarme Atmosphäre aus, in der während des Betriebs des Brenners die Bildung von Kohlenmonoxid begünstigt wird. Die hohen Geschwindigkeiten der über den Hochimpulsbrenner bzw. der Sauerstofflanze eingetragenen Gase führen zu räumlichen und zeitlichen Fluktuationen des Kohlenmonoxidgehalts, die wiederum die Schaumbildung in einer von der erfindungsgemäßen Brennstoffanordnung erwärmten Glasschmelze reduzieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist, zusätzlich zu der wenigstens einen oberen Sauerstofflanze, wenigstens eine untere Sauerstofflanze vorgesehen, die vertikal beabstandet unterhalb des Hochimpulsbrenners aus dem Brennerstein austritt. Diese untere Sauerstofflanze ist dabei bevorzugt gleichfalls achsparallel Oder gleichfalls in einem Winkel von maximal 15° zu- oder weglaufend geneigt zur Längsachse des Hochimpulsbrenners durch den Brennerstein geführt und weist ebenfalls bevorzugt einen kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt auf. Mit dieser Ausgestaltung kann eine zweifache Stufung des Sauerstoffeintrags erfolgen. Die Verteilereinrichtung ist in diesem Fall bevorzugt so ausgebildet, dass sie zusätzlich den/die durch die unteren Sauerstofflanze(n) geführten Sauerstoffströme in seine Verteilung einschließt. Dadurch kann insbesondere ein dritter Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Brenneranordnung realisiert werden, bei dem unterhalb der Brennerebene ein Sauerstoffüberschuss in der Atmosphäre des Ofenraums herbeigeführt wird, der insbesondere zum Aufwärmen eines Aufgabeguts im Ofenraum vorteilhaft ist.

Eine kompakte, jedoch hocheffiziente Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brenneranordnung sieht vor, dass der Hochimpulsbrenner und jeweils eine Sauerstofflanze oberhalb und unterhalb des Hochimpulsbrenners vertikal übereinander in den Ofenraum ausmünden.

Eine gleichfalls vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl von oberen und/oder unteren Sauerstofflanzen vorgesehen sind. Dabei handelt es sich um eine Zahl von beispielsweise jeweils zwei bis vier Sauerstofflanzen, die bevorzugt jeweils entlang einer horizontalen Line in den Ofenraum ausmünden und bevorzugt jeweils symmetrisch zum Hochimpulsbrenner angeordnet sind. Eine jeweils kreissegmentförmige Anordnung der oberen bzw. unteren Sauerstofflanzen ist gleichfalls im Rahmen der Erfindung möglich.

Bevorzugt beträgt der vertikale Abstand der oberen und/oder der unteren Sauerstofflanzen vom Hochimpulsbrenner (gemessen als Abstand zwischen den jeweiligen Mittelachsen) mindestens das 1 ,8-fache, bevorzugt mindestens das 2,5- fache des Durchmessers des Hochimpulsbrenners an dessen Mündung in den Ofenraum.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Verteilereinrichtung ein Verteilelement auf, das anströmseitig mit der Sauerstoffleitung und abströmseitig über Strömungsdurchführungen mit der primären Sauerstoffzuführung und der bzw. den Sauerstofflanze(n) strömungsverbunden ist und auf dem eine als Lochscheibe ausgebildete Verteilerscheibe drehbar, jedoch in vorbestimmten Winkelstellungen arretierbar montiert ist. Die Verteilerscheibe ist mit Strömungsöffnungen ausgerüstet, die zur Herstellung einer Strömungsverbindung mit den Strömungsdurchführungen des Verteilelements Zusammenwirken. Die wie eine Blende wirkenden Strömungsöffnungen sind in unterschiedlicher Anzahl pro Fläche auf der Verteilerscheibe verteilt und/oder sie weisen unterschiedliche Querschnitte auf, sodass durch eine Drehung der Verteilerscheibe Größe und/oder Zahl der mit einer Strömungsdurchführung des Verteilelements zusammenwirkenden Strömungsöffnungen, und damit der insgesamt in diese Strömungsdurchführung eingeleitete Sauerstoff-Volumenstrom, verändert werden kann/können. Auf diese Weise kann die Aufteilung eines aus der Sauerstoffleitung zuströmenden Sauerstoffstroms in Teilströme, die über die primäre Sauerstoffzuführung und die Sauerstofflanze(n) zum Ofenraum geführt werden, gezielt variiert werden. Die Winkelposition der Verteilerscheibe ist dabei bevorzugt mit einem Stellmotor und/oder mit einer Handkurbel einstellbar.

Um die Verteilereinrichtung an unterschiedliche Anforderungen anpassen zu können, ist die Verteilerscheibe zweckmäßigerweise lösbar mit dem Verteilelement verbunden, um ggf. die Verteilerscheibe gegen eine andere auf das Verteilelement montierbare Verteilerscheibe mit einer anderen Anzahl und/oder Größe und/oder Geometrie von Strömungsöffnungen austauschen zu können.

Der Hochimpulsbrenner ist, insbesondere für den Einsatz in einem Glasschmelzofen, bevorzugt für den Betrieb mit einem gasförmigen, kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff, wie Erdgas, konzipiert. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Hochimpulsbrenner jedoch so eingerichtet, dass er anstelle von Erdgas mit Wasserstoff oder mit einem beliebigen Wasserstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisch als Brennstoff betrieben werden kann. Als „Wasserstoff“ soll hier ein Gas verstanden werden, das einen Wasserstoffanteil von mindestens 90 Vol.-%, bevorzugt mindestens 99 Vol.-% aufweist.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Brenneranordnung ist in Anspruch 10 beansprucht.

Bei diesem Verfahren werden ein Brennstoffstrom durch den Brennstoffkanal des Hochimpulsbrenners, ein primärer Sauerstoffstrom durch die Sauerstoffzuleitung des Hochimpulsbrenners sowie ein sekundärer Sauerstoffstrom durch die wenigstens eine obere Sauerstofflanze (und ggf. über die wenigstens untere Sauerstofflanze, sofern vorhanden) in einen Ofenraum eingetragen, wobei der primäre Sauerstoffstrom (einschließlich eines über etwaig vorhandene untere Sauerstofflanzen eingetragenen sekundären Sauerstoffstroms) ein unterstöchiometrisches Verhältnis gegenüber dem Brennstoffstrom aufweist und ein mindestens zum Erreichen eines zum Brennstoffstrom stöchiometrischen Verhältnisses aus Brennstoff und Sauerstoff erst durch Zuführen von sekundärem Sauerstoff über die wenigstens eine obere Sauerstofflanze erreicht wird. Dadurch bildet sich unterhalb der Brennerebene im Ofenraum ein Bereich mit einer gegenüber stöchiometrischen Verhältnissen zu niedrigen Sauerstoffkonzentration aus. Im Falle der Anwesenheit kohlenstoffhaltiger Verbindungen, etwa bei Verwendung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs, bildet sich dann dort ein Bereich mit einer hohen Kohlenmonoxid-Konzentration aus.

Erfindungsgemäß werden dabei der Brennstoffstrom und der primäre Sauerstoffstrom sowie zumindest der über die wenigstens eine obere Sauerstofflanze eingetragene sekundäre Sauerstoffstrom mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s eingetragen. Auch Geschwindigkeiten über 200 m/s führen erfindungsgemäß zum Ergebnis. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen aus noch nicht völlig geklärter Ursache dazu, dass der sich ausbildende Bereich niedriger Sauerstoffkonzentration bzw. hoher Kohlenmonoxid-Konzentration unterhalb der Brennerebene in seiner Zusammensetzung nicht stationär ist, sondern fortwährend zeitlichen und räumlichen Schwankungen unterworfen ist. Insbesondere die Kohlenmonoxid-Konzentration schwankt dabei während des laufenden Betriebs in einem gegebenen Raumbereich unterhalb der Brennerebene innerhalb weniger Sekunden um 10% bis 100%, wobei ein mittlerer Gehalt an Kohlenmonoxid von mindestens 100 vpm, bevorzugt mindestens 1000 vpm angestrebt wird. Dadurch wird insbesondere beim Einsatz in einem Glasschmelzofen die Schaumbildung einer Glasschmelze noch stärker reduziert, als dies bei Vorhandensein einer stationären, kohlenmonoxidreichen Atmosphäre mit einem dem oben genannten mittleren Kohlenmonoxidgehalt entsprechendem Kohlenmonoxidgehalt der Fall wäre. Aus diesem Grund ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Glasschmelzofen besonders bevorzugt.

Bevorzugt wird zumindest der größte Teil, beispielsweise mindestens 60%, des insgesamt in den Ofenraum eingetragenen Sauerstoffs als sekundärer Sauerstoff über die obere Sauerstofflanze(n) und/oder die untere Sauerstofflanze(n) eingetragen; der primäre Sauerstoffstrom ist also geringer als der Sekundärsauerstoffstrom oder entfällt sogar ganz. In dieser Betriebsweise sind die NOx-Emissionen beim Einsatz der erfindungsgemäßen Brenneranordnung besonders gering.

Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Brenneranordnung im Längsschnitt

Fig. 2: Die Brenneranordnung aus Fig. 1 in einer Vorderansicht, gesehen aus

Richtung B in Fig. 1 ,

Fig. 3a: Eine Verteilereinrichtung zum Verteilen des Sauerstoffs einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung im Längsschnitt,

Fig. 3b: Die Verteileinrichtung aus Fig. 3a im Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 3a und

Fig. 3c: Eine in der Verteilereinrichtung aus Fig. 3a angeordnete

Verteilerscheibe in Draufsicht.

Die in Fig. 1 dargestellte Brenneranordnung 1 weist einen Hochimpulsbrenner 2 auf, der in einer Durchführung 3 eines Brennersteins 4 aufgenommen ist. Der Hochimpulsbrenner 2 weist einen zylindrischen, zentralen Brennstoffkanal 5 und eine koaxial um diesen herum angeordnete Sauerstoffzuführung 6 zum Zuführen von primärem Sauerstoff auf. Brennstoffkanal 5 und Sauerstoffkanal 6 münden an einem Brennermund 7 des Hochimpulsbrenners 2 in einen Ofenraum 8 aus, bei dem es sich beispielsweise um einen Glasschmelzofen handelt. Der Brennerstein 4 ist in einer geeigneten Durchführung in der Wand 9 des Ofenraums 8 montiert.

Beim Hochimpulsbrenner 2 handelt es sich um einen Brenner, bei dem ein Strom eines gasförmigen Brennstoffs sowie ein Strom eines Oxidanten mit einer Strömungsgeschwindigkeit von wenigstens 50 m/s, bevorzugt von wenigstens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s in den Ofenraum 8 eingetragen werden. Bei einem derartigen Hochimpulsbrenner 2 führt die hohe Geschwindigkeit der eingetragenen Gase zu einer intensiven Rezirkulation der im Ofenraum anwesenden Verbrennungsgase, die u.a. eine Reduktion der Temperatur einer sich im Ofenraum 8 ausbildenden Flamme (hier nicht gezeigt) zur Folge hat. Um eine besonders hohe Austrittsgeschwindigkeit zu erzielen, können Brennstoffkanal 6 und/oder Sauerstoffzuführung 6, wie hier gezeigt, im Bereich des Brennermundes 7 einen sich in Richtung zum Ofenraum 8 konisch verengenden Strömungsquerschnitt aufweisen.

Um eine gestufte Verbrennung zu ermöglichen, weist die Brenneranordnung 1 Sauerstofflanzen 10, 11 zum Einbringen von sekundärem Sauerstoff auf, die im Ausführungsbeispiel achsparallel zur Brennerachse 12 des Hochimpulsbrenners 2 durch den Brennerstein 4 geführt sind. Dabei ist eine obere Sauerstofflanze 10 vertikal beabstandet von einer durch die Achse des Hochimpulsbrenners 2 verlaufenden horizontalen Ebene (Brennerebene) 13 angeordnet, während eine untere Sauerstofflanze 11 vertikal unterhalb der Brennerebene 13 angeordnet ist. Der vertikale Abstand der Sauerstofflanzen 10, 11 vom Hochimpulsbrenner 2, gemessen von den jeweiligen Mittelachsen, sollte dabei jeweils mindestens das 1 ,8- fache des Durchmessers des Hochimpulsbrenners 2 am Brennermund 7 betragen.

Bei den Sauerstofflanzen 10, 11 handelt es sich im Ausführungsbeispiel gleichfalls um Hochimpuls-Eintragssysteme, d.h. der mit den Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8 eingetragene Sauerstoffstrom hat eine Geschwindigkeit von gleichfalls wenigstens 50 m/s, bevorzugt von wenigstens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s.

Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Sauerstofflanze 10, 11 über bzw. unter dem Hochimpulsbrenner 2 in einer vertikalen Ebene 14 übereinander angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, dass eine Mehrzahl von Sauerstofflanzen 10 (hier nicht gezeigt) oberhalb und/oder unterhalb des Brenners 2 vorgesehen sein; diese können dabei beispielsweise entlang einer horizontalen Linie oder in anderer Weise, beispielsweise ringförmig um den Hochimpulsbrenner 2 angeordnet sein.

Der Brennstoffkanal 5 steht über eine Brennstoffleitung 15 mit einer hier nicht gezeigten Quelle für einen gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas, in Strömungsverbindung. Die Sauerstoffzuführung 6 sowie die Sauerstofflanzen 10, 11 , stehen über Verbindungsleitungen 16, 17, 18 mit einer Sauerstoffleitung 19 in Strömungsverbindung, die wiederum an einer hier gleichfalls nicht gezeigten Quelle für einen Oxidanten, beispielsweise reiner Sauerstoff, angeschlossen ist.

In der Brennstoffleitung 15 und der Sauerstoffleitung 19 ist eine Regelstrecke 20 angeordnet, die mit einer beispielsweise elektronischen Steuerung 21 in Datenverbindung steht. In der Regelstrecke 20 sind Stellventile 22, 23 vorgesehen, mittels denen die insgesamt in den Ofenraum 8 eingetragenen Mengenströme von Brennstoff und Sauerstoff in Abhängigkeit von vorgegebenen Parametern, wie beispielsweise einer im Ofenraum 8 gemessenen Temperatur, geregelt werden können.

In der Sauerstoffleitung 19 ist weiterhin eine Verteilereinrichtung 25 vorgesehen, mittels der ein über die Sauerstoffleitung 19 herangeführter Sauerstoffstrom auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18, und damit auf die Sauerstoffzuführung 6 und die Sauerstofflanzen 10, 11 variierbar aufgeteilt werden kann. Die Verteilereinrichtung 25 kann manuell oder mittels der Steuerung 21 gesteuert werden, wie beispielhaft unten näher erläutert.

Im Betrieb der Brenneranordnung 1 wird ein Strom eines gasförmigen Brennstoffs über die Brennstoffleitung 15 und den Brennstoffkanal 5 in den Ofenraum 8 mit der zuvor beschriebenen hohen Geschwindigkeit eingetragen. Als Brennstoff kommt beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie Erdgas, oder ein wasserstoffhaltiges Gas oder eine Mischung von beidem zum Einsatz. Gleichzeitig wird über die Sauerstoffleitung 19 ein Strom reinen Sauerstoffs herangeführt, der bevorzugt zum Brennstoffstrom stöchiometrisch oder geringfügig überstöchiometrisch ist. Der Sauerstoffstrom wird in der Verteilereinrichtung 25 vollständig auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 aufgeteilt und gelangt über die Sauerstoffzuführung 6 bzw. die Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8. Dort wird er mit dem Brennstoffstrom zur Zündung gebracht, worauf sich im Ofenraum 8 eine (hier nicht gezeigte) Flamme ausbildet.

Dabei sind folgende Betriebsmodi bevorzugt: a) Mindestens ein Großteil des Sauerstoffs wird zur Sauerstoffzuführung 6 geleitet. Die am Brennermund 7 des Hochimpulsbrenners 2 in den Ofenraum 8 eingetragenen Ströme aus Brennstoff und primären Sauerstoff sind also zumindest nahezu stöchiometrisch zueinander. Über die Sauerstofflanzen 10, 11 wird kein oder allenfalls ein geringer Sauerstoffstrom eingetragen, der lediglich der Kühlung der Sauerstofflanzen 10, 11 dient und der durch den hohen Impuls der Flamme in dieselbe rezirkuliert wird und damit auch zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofenraum 8 im geringen Maße beiträgt. Dieser Betriebsmodus ist beispielsweise beim Starten des Hochimpulsbrenners 2 oder zum Aufheizen des Ofenraums 2 bevorzugt. b) Ein Großteil des Sauerstoffs wird über die obere Sauerstofflanze 10 in den Ofenraum 8 eingetragen (einfach gestufte Verbrennung). Ein kleinerer Reststrom wird über die Sauerstoffzuführung 6 lediglich zu dem Zweck eingeleitet, um die sich vor dem Brennermund 7 ausbildende Flamme zu stabilisieren. Über die Sauerstofflanze 11 wird kein oder allenfalls ein geringer Sauerstoffstrom eingetragen, der lediglich der Kühlung der Sauerstofflanze 11 dient und der zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofenraum 8 nur geringfügig beiträgt. In diesem Betriebsmodus ist die Verbrennung unterhalb der Brennerebene 13 insgesamt unterstöchiometrisch. Dadurch wird in diesem Bereich verstärkt Kohlenmonoxid gebildet, das bei Verwendung der Brenneranordnung 1 in einem Glasschmelzofen die Bildung von Schaum auf der Glasschmelze unterdrückt bzw. bereits gebildeten Schaum rückbildet. c) Der gesamte oder ein Großteil des Sauerstoffs wird über die Sauerstofflanzen 10, 11 in den Ofenraum 8 eingetragen (zweifach gestufte Verbrennung), wobei auch in diesem Falle durch Variation der Verteilung der über die obere Sauerstofflanze 10 und die untere Sauerstofflanze 11 eingetragenen Sauerstoffströme oberhalb bzw. unterhalb der Brennerebene 13 sauerstoffreiche bzw. sauerstoffarme Atmosphärenbereiche ausgebildet werden können. Ein etwaiger kleiner Reststrom wird über die Sauerstoffzuführung 6 lediglich zu dem Zweck eingeleitet, um den Hochimpulsbrenner 2 zu kühlen (falls erforderlich) und/oder zur Flammenstabilisierung. In diesem Betriebsmodus wird der Hochimpulsbrenner 2 also deutlich unterstöchiometrisch oder sogar nur als Brennstoffzuführung betrieben. In diesem Betriebsmodus werden besonders wenige Stickoxide produziert.

Diese Betriebsmodi können selbstverständlich auch dann eingestellt werden, wenn anstelle der hier gezeigten Brenneranordnung 1 mit jeweils einer Sauerstofflanze 10, 11 oberhalb bzw. unterhalb der Brennerebene 13 eine erfindungsgemäße Brenneranordnung mit einer Mehrzahl von Sauerstofflanzen oberhalb und/oder unterhalb der Brennerebene 13 zum Einsatz kommt.

Überraschend hat sich herausgestellt, dass, im Betriebsmodus der einfach gestuften Verbrennung (Betriebsmodus b) mit den oben genannten hohen Austrittsgeschwindigkeiten von Brennstoff und Sauerstoff, der sich unterhalb der Brennerebene 13 einstellende Kohlenmonoxid-Überschuss auch bei einem gleichmäßigen Eintrag von Brennstoff und Sauerstoff keine stationäre, also zeitlich und räumlich im Wesentlichen konstante Formation ausbildet, sondern zeitlich und räumlich schwankt. Dieser Effekt, der möglicherweise - ohne dass die Erfindung hierdurch in irgend einer Weise beschränkt werden soll - auf turbulente Strömungsprozesse in den Grenzflächen zwischen den eingetragenen Strömen von Sauerstoff und Brennstoff sowie den rezirkulierenden Ofengasen zurückzuführen ist, ist umso stärker ausgeprägt, je höher die Austrittsgeschwindigkeit der in den Ofenraum 8 eingetragenen Verbrennungsgase ist. Die Schwankung kann dabei in einem gegebenen Raumbereich zwischen 10% und 100% der durchschnittlich in diesem Raumbereich gemessenen Kohlenmonoxidkonzentration betragen. Die zeitliche und räumliche Schwankung des Kohlenmonoxidgehalts im Ofenraum 8 unterhalb der Brennerebene 12 aber führt zu einer verbesserten Reduzierung der Schaumbildung einer sich im Ofenraum 8 befindlichen Glasschmelze.

Anhand der Fig. 3a bis 3c wird nun eine einfache, robuste und kostengünstige Möglichkeit beschrieben, um den über die Sauerstoffleitung 19 herangeführten Sauerstoffstrom in gewünschter Weise auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 aufteilen zu können. Dabei umfasst die Verteilereinrichtung 25 ein Gehäuse 26, in dem ein Verteilelement 27 fest montiert ist. Beim Verteilelement 27 handelt es sich um eine Lochplatte mit drei Strömungsdurchführungen 28a, 28b, 28c, die wiederum mit den Verbindungsleitungen 16, 17, 18 in Strömungsverbindung stehen. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Strömungsdurchführungen 28a, 28b, 28c um jeweils gleich große, kreissegmentförmige Öffnungen; es sind jedoch ebenso gut andere Geometrien der und/oder Größenverhältnisse zwischen den Strömungsdurchführungen 28a, 28b, 28c im Rahmen der Erfindung vorstellbar.

Auf dem Verteilelement 27 und koaxial zu diesem ist eine Verteilerscheibe 29 um eine zur Fläche der Verteilerscheibe 29 senkrechte Achse 30 drehbar gelagert. Auch diese ist als Lochscheibe ausgebildet und mit Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d ausgerüstet. Die Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d sind in Umfangsrichtung beabstandet voneinander angeordnet und weisen im hier gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils unterschiedliche Querschnitte auf; alternativ oder ergänzend dazu können in unterschiedlichen Bereichen gleicher Fläche der Verteilerscheibe 29 auch eine unterschiedliche Anzahl von Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d vorgesehen sein. Die Verteilerscheibe 29 ist über eine Welle 32 mit einem außerhalb des Gehäuses 26 angeordneten Antrieb verbunden, beispielsweise einer Handkurbel 33 und/oder einem Schrittmotor (hier nicht gezeigt), der wiederum mit der Steuerung 21 in Datenverbindung stehen kann.

In der in Fig. 3a gezeigten Position sind Verteilelement 27 und Verteilerscheibe 29 derart angeordnet, dass die Strömungsdurchführung 28a und die Strömungsöffnung 31a sowie die Strömungsdurchführung 28c und die Strömungsöffnung 31c übereinander zu liegen kommen und auf diese Weise eine Strömungsverbindung zwischen der Sauerstoffleitung 19 und der Verbindungsleitung 17 bzw. 16 herstellen (weitere, hier nicht sichtbare Strömungsverbindungen bestehen in dieser Position der Verteilerscheibe 29 zwischen der Sauerstoffleitung 19 und der Verbindungsleitung 18 über die Strömungsdurchführung 28b und die Strömungsöffnung 31 b sowie zwischen der Sauerstoffleitung 19 und der Verbindungsleitung 16 über die Strömungsdurchführung 28c und die Strömungsöffnung 31 d).

Das das Verteilelement 27 und die Verteilerscheibe 29 aufnehmende Gehäuse 26 soll sicherstellen, dass der gesamte über die Sauerstoffleitung 19 herangeführte Sauerstoff durch die Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d in der Verteilerscheibe 29 und die Strömungsdurchführungen 28a, 28b, 28c im Verteilelement 27 hindurch in die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 gelangt. Es ist demzufolge gasdicht, beispielsweise über Flanschverbindungen, mit der Sauerstoffleitung 19 und den Verbindungsleitungen 16, 17, 18 verbunden und weist eine gasdichte Durchführung 34 für die Welle 32 auf.

Aufgrund des unterschiedlichen Öffnungsquerschnitts der Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d und/oder der Anzahl der Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d pro Flächeneinheit in der Verteilerscheibe 29 bewirkt eine Drehung der Verteilerscheibe 29 um die Achse 30, dass der aus der Sauerstoffleitung 19 herangeführte Sauerstoffstrom auf unterschiedliche Weise auf die Verbindungsleitungen 16, 17, 18 und somit auf die Sauerstoffzuführung 6 und die Sauerstofflanzen 10, 11 aufgeteilt wird. Bei einem geeigneten Design der Verteilerscheibe 29 mit beispielsweise unterschiedlich großen, in Umlaufrichtung voneinander beabstandeten Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d können somit beispielsweise die oben beschriebenen Betriebsmodi in einfacher Weise eingestellt werden; insbesondere muss dazu weder der Betrieb der Brenneranordnung 1 unterbrochen noch der über die Sauerstoffleitung 19 herangeführte Sauerstoffstrom verändert werden.

Die hier gezeigte Verteilerscheibe 29 mit Strömungsöffnungen 31 a, 31 b, 31 c, 31 d stellt im Übrigen lediglich ein Beispiel einer möglichen Verteilerscheibe 29 dar. Bevorzugt sind die Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d der Verteilerscheibe 29 so ausgebildet, dass der Druckverlust der Brenneranordnung 1 insgesamt auch während der Umschaltung der Verteilerscheibe 29 im Wesentlichen konstant bleibt und somit die Umschaltung keinen Einfluss auf den Betrieb der Regelstrecke 20 hat. Die hierzu geeigneten Geometrien und/oder die erforderliche Anzahl der Strömungsöffnungen 31a, 31 b, 31c, 31 d in der Verteilerscheibe 29 hängen dabei insbesondere von den jeweils intendierten Sauerstoffströmen ab und sind für jede Brenneranordnung 1 bzw. jeden Ofenraum 8 individuell, beispielsweise empirisch, zu bestimmen.

Um die Verteilereinrichtung 25 an unterschiedliche Anforderungen anpassen zu können, ist die Verteilerscheibe 29 bevorzugt lösbar mit dem Verteilelement 27 verbunden, und das Gehäuse 26 kann in hier nicht gezeigter Weise geöffnet werden, um die Verteilerscheibe 29 bei Bedarf gegen eine andere Verteilerscheibe mit einer anderen Anzahl und/oder Größe und/oder Geometrie der darin vorhandenen Strömungsöffnungen austauschen zu können.

Bezugszeichenliste

1 Brenneranordnung

2 Hochimpulsbrenner

3 Durchführung

4 Brennerstein

5 Brennstoffkanal

6 Sauerstoffzuführung

7 Brennermund

8 Ofenraum

9 Wand

10 Sauerstofflanze

11 Sauerstofflanze

12 Brennerachse

13 Brennerebene

14 Vertikale Ebene

15 Brennstoffleitung

16 Verbindungsleitung

17 Verbindungsleitung

18 Verbindungsleitung

19 Sauerstoffleitung

20 Regelstrecke

21 Steuerung

22 Stellventil

23 Stellventil

24 -

25 Verteilereinrichtung

26 Gehäuse

27 Verteilelement

28a, 28b, 28c Strömungsdurchführung

29 Verteilerscheibe

30 Achse

31 a, 31 b, 31c, 31 d Strömungsöffnung

32 Welle

33 Handkurbel

34 Durchführung

Claims

Patentansprüche

1. Brenneranordnung zum Ermöglichen einer gestuften Verbrennung in einem Ofenraum, mit einem in einem Brennerstein (4) montierten Hochimpulsbrenner (2), der einen Brennstoffkanal (5) sowie eine koaxial zum Brennstoffkanal (5) angeordnete primäre Sauerstoffzuführung (6) aufweist, mit wenigstens einer oberen Sauerstofflanze (10), die vertikal beabstandet oberhalb vom Hochimpulsbrenner (2) aus dem Brennerstein (4) ausmündet, und mit einer Verteilereinrichtung (25) zum Verteilen eines der Brenneranordnung (1) aus einer Sauerstoffleitung (19) zugeführten Sauerstoffstroms auf die primäre Sauerstoffzuführung (6) und die wenigstens eine Sauerstofflanze (10).

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch wenigstens eine untere Sauerstofflanze (11 ), die vertikal beabstandet unterhalb des Hochimpulsbrenners (2) aus dem Brennerstein (4) ausmündet.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochimpulsbrenner (2) und jeweils eine obere Sauerstofflanze (10) und eine untere Sauerstofflanze (11 ) vertikal übereinander aus dem Brennerstein (4) ausmünden.

4. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von oberen und/oder unteren Sauerstofflanzen (10, 11 ) vorgesehen ist, die beabstandet vom Hochimpulsbrenner (2) aus dem Brennerstein (4) ausmünden.

5. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand der oberen und/oder der unteren Sauerstofflanzen (10, 11 ) vom Hochimpulsmesser (2) an der Ausmündung aus dem Brennerstein (4) mindestens das 1 ,8-fache, bevorzugt mindestens das 2,5- fache des Durchmessers des Hochimpulsbrenners (2) beträgt.

6. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinrichtung (25) ein anströmseitig mit der Sauerstoffleitung (19) und abströmseitig über Strömungsdurchführungen (28a, 28b, 28c) mit der primären Sauerstoffzuführung (6) und der bzw. den Sauerstofflanze(n) (10, 11 ) strömungsverbundenes Verteilelement (27) sowie eine als Lochscheibe ausgebildete Verteilerscheibe (29) aufweist, die drehbar, jedoch in vorbestimmten Winkelstellungen arretierbar, auf dem Verteilelement (27) montiert und mit Strömungsöffnungen (31a, 31 b, 31c, 31 d) ausgerüstet ist, die mit den Strömungsdurchführungen (28a, 28b, 28c) des Verteilelements (27) zur Herstellung einer Strömungsverbindung Zusammenwirken und die auf der Verteilerscheibe (29) derart unterschiedlich verteilt sind und/oder unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen, dass bei einer Drehung der Verteilerscheibe (29) um einen vorgegebenen Winkel eine vorgegebene Verteilung eines aus der Sauerstoffleitung (19) zuströmenden Sauerstoffstroms auf die primäre Sauerstoffzuführung (6) und die Sauerstofflanze(n) (10, 11 ) erfolgt.

7. Brenneranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelposition der Verteilerscheibe (29) mit einem Stellmotor und/oder mit einer Handkurbel (33) einstellbar ist.

8. Brenneranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerscheibe (29) lösbar mit dem Verteilelement (27) verbunden ist.

9. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochimpulsbrenner (2) mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas als Brennstoff und mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel betreibbar ist.

10. Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Brenn stoffstrom durch den Brennstoffkanal (5), ein primärer Sauerstoffstrom durch die Sauerstoffzuleitung (6) sowie ein sekundärer Sauerstoffstrom durch die wenigstens eine obere Sauerstofflanze (10) in einen Ofenraum (8) eingetragen werden, wobei der primäre Sauerstoffstrom ein unterstöchiometrisches Verhältnis gegenüber dem Brenn stoffstrom aufweist und ein mindestens zum Erreichen eines zum Brenn stoffstrom stöchiometrisches Verhältnis aus Brennstoff und Sauerstoff durch Zuführen von sekundärem Sauerstoff über die wenigstens eine obere Sauerstofflanze (10) erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstrom, der primäre Sauerstoffstrom, sowie der über die wenigstens eine obere Sauerstofflanze (10) eingetragene sekundäre Sauerstoffstrom mit einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s, bevorzugt mindestens 100 m/s, besonders bevorzugt mindestens 150 m/s in den Ofenraum (8) eingetragen werden.

11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der größte Teil des insgesamt in den Ofenraum (8) eingetragenen Sauerstoffs als sekundärer Sauerstoff über die wenigstens eine obere Sauerstofflanze (10) und/oder die wenigstens eine untere Sauerstofflanze (11 ) eingetragen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , gekennzeichnet durch den Einsatz der Brenneranordnung (1 ) zum Beheizen des Ofenraums (8) eines Glasschmelzofens.