WO2011020499A1 - Strahlungsbrenner sowie strahlungsbrenneranordnung - Google Patents

Strahlungsbrenner sowie strahlungsbrenneranordnung Download PDF

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WO2011020499A1
WO2011020499A1 PCT/EP2009/060695 EP2009060695W WO2011020499A1 WO 2011020499 A1 WO2011020499 A1 WO 2011020499A1 EP 2009060695 W EP2009060695 W EP 2009060695W WO 2011020499 A1 WO2011020499 A1 WO 2011020499A1
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regenerative
housing
radiant
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Herbert Bauer
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Fbb Engineering Gmbh
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C5/08—Disposition of burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2203/10—Flame diffusing means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a radiant burner according to the preamble of claim 1, a radiant burner assembly and a furnace heated by at least one radiant burner, which can be used, for example, in the steel industry as a heat treatment furnaces or as a melting furnace for the aluminum industry.
  • Pore burners essentially have a two-layered porous body. One layer serves as flame holder and the other layer as flame arrester. The arrangement of the pore body takes place in a housing, wherein above the pore body, a mixing space is provided, in which the fuel - for example, ground or process gas - and the air are mixed together.
  • the housing known pore burner is made of a heat-resistant metallic material. The combustion takes place predominantly within the pore layer serving as flame holder. Due to this circumstance, the known pore burners are to be regarded as radiant burners.
  • pore burners A disadvantage of the previously known pore burners that they are operated with cold combustion air and the exhaust heat either escaped directly escapes into the atmosphere or must be recovered through special heat exchanger systems.
  • a further disadvantage is the fact that pore burners of known design must be embedded in a metallic housing of correspondingly high-quality materials.
  • so-called regenerative burners are known in the prior art. These basically have two or more individual burners. Under individual burners in this case, a combination of spatially separated components burner head and a so-called. Regenerator to understand. In the case of a regenerative burner, at least one burner or preferably one half of a burner group is in each case in the so-called firing mode.
  • the respective other burner or the second half of the burner group is or are in the so-called regenerative mode.
  • the latter means that the exhaust gases located in the combustion chamber of the burner located in the firing mode are sucked off via the burner heads or regenerators located in the regenerative mode and deliver there the predominant part of their heat content to a heat exchanger mass.
  • a switchover takes place and the burners previously operated in regenerative mode operate in the firing mode, and the burners previously operated in the firing mode are then operated in regenerative mode.
  • the combustion air absorbs the exhaust heat previously stored in the regenerators.
  • Regenerative burners are used i.a. used in the steel industry on heat treatment furnaces as well as in the aluminum industry on smelting furnaces. In both cases, these are burners with a high forward momentum and correspondingly long combustion flames, with the burners usually being integrated into the side walls of the respective furnace.
  • the present invention has for its object to provide a particularly energy-saving and integratable into a furnace roof radiation burner with a correspondingly flat flame. Furthermore, the burner should be inexpensive to produce and nevertheless withstand very high temperatures. This object is achieved with a radiant burner with the features of claim 1, with a radiant burner assembly having the features of claim 23 and with a furnace having the features of claim 27.
  • the housing may at least partially made of ceramic or a refractory material, preferably made of refractory concrete.
  • a long life is achieved at the same time cost-effective and simple production in an advantageous manner.
  • the regenerative pore burner according to the invention can thus be used without any problems for all the temperature ranges normally used on furnaces in the steel industry.
  • the use of refractory concrete also has the advantage that the thermal expansion of the housing is equal to that of the pore material.
  • the amount of heat stored in the exhaust gas is used to heat the regenerative pore burner or its pore material respectively operated in the regenerative mode or a separate regenerator, which is then used in the firing mode Warming the cold combustion air is supplied.
  • the volume of the pore material is to be chosen correspondingly large.
  • a third component is introduced as a heat store in addition to the flame holder and the flame arrester, namely a separate heat store (regenerator), which can be used, for example.
  • a separate heat store can be made of a SiC material (silicon carbide). All three components are preferably located within a common burner housing.
  • the regenerative pore burner according to the invention can be advantageously used in existing furnace systems. It can also be equipped with commercially available ignition and monitoring equipment as well as commercially available components for the gas and air supply.
  • the housing made of ceramic or refractory material, in particular refractory concrete is surrounded by a jacket made of sheet steel (normal steel). This jacket can simultaneously serve as a casting mold in the manufacture of the refractory concrete housing.
  • connection flanges can be attached or formed on the metal jacket. These connection flanges serve, for example, for connecting the regenerative porous burner provided according to the invention to the furnace and for connecting a supply line for combustion air, which at the same time can also serve as an exhaust gas line. Another connection flange may be provided for a gas supply line.
  • An ignition device can be used both in conjunction with a control electronics and as a monitoring device for the flame.
  • the invention further relates to a radiant burner arrangement and a furnace having the inventive radiant burner.
  • Figure 1 is a schematic view of a furnace with two inventive
  • Radiant burners (partially in section), in which the flame-retardant pore material is used simultaneously as a regenerator, and
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an inventive
  • FIG. 1 shows a furnace OF with side walls OF S and a furnace roof OF 0 .
  • the oven ceiling OF 0 two recesses OF DA are arranged in the regenerative porous burner 1 are used.
  • the arrangement and number of regenerative pore burners in Figure 1 is merely exemplary and is variable. For better clarity mounting arrangements for fixing the regenerative pore burner 1 to the furnace OF are not shown.
  • an outer circumferential collar or projections K can be provided, by means of which or by means of which the regenerative pore burners 1 rest on the top of the furnace cover OF 0 and optionally by means of fastening elements in the furnace lid or the furnace roof OF 0 be attached.
  • the regenerative pore burners 1 each have a substantially cylindrical housing 2, which has on its lower end face an inwardly directed collar 2 a, which forms a pore burner opening 1 a.
  • the collar 2a stops a pore material 6, in which the actual combustion takes place, in the housing 2.
  • a flame barrier layer 7 is provided, which also consists of a pore material, which, however, formed finer pores compared to the flame-retardant pore material 6 is.
  • the flame barrier layer may be formed of spinel.
  • a mixing chamber 3 is provided, in which a homogeneous mixture as possible between air and the fuel (eg, natural gas or process gas) is generated.
  • Each of the regenerative pore burners 1 furthermore has a gas feed 4 (with reference to FIG. 1) at the top into the mixing space 3. Furthermore, a fresh air supply opening 5 is formed at the top, which also serves for the extraction of exhaust gases A from the designated B combustion chamber.
  • a fresh air blower 9 can pump fresh air into the fresh air feed openings 5 of the regenerative pore burner 1 via a line L 3 and valves V and lines Li and L 2 .
  • the regenerative pore burner 1 shown on the left, for example, is currently in the firing mode, while the regenerative pore burner 1 shown on the right in the drawing is in regenerative mode. In regenerative mode, the flame-retardant pore material heats up from the combustion chamber B through the exhaust gases forcedly passed through it.
  • the respective operating mode can be adjusted by controlling the valves V and the gas supply, which is effected in a cyclic manner by a control device (not shown), for example in a minute cycle.
  • a control device for example in a minute cycle.
  • the regenerative pore burner 1 can be ignited, such that a flame F or radiant heat emanating therefrom enters the combustion chamber B through the recess OF DA .
  • the exhaust gas is conveyed by means of a blower 10 in the direction of a chimney 11.
  • regenerator in an alternative embodiment of a radiation burner 1 'according to the invention, which is shown schematically in FIG. 2, the regenerator can also be designed as a component which is separate from the pore material.
  • Figure 2 with respect to Figure 1 identically acting elements are marked with the same, but with a dashed reference numerals. The arrangement of the lines and valves outside the pore burner corresponds to the representation in Figure 1 and is therefore not shown again.
  • the housing 2 ' is formed in the embodiment of Figure 2 made of ceramic and surrounded by a steel jacket 8', which is fastened with a metallic collar K 'on the oven ceiling OF.
  • the pore material 6 ' is designed as a pure flame holder and thus with a comparatively thin layer thickness.
  • a separate regenerator 12 is arranged above the flame barrier layer T.
  • the regenerator is made in the example of a silicon carbide (SiC) -Matehal, of the Lucas-Flow of exhaust gas is flowed through.
  • SiC silicon carbide
  • the flame barrier layer may be made of spinel.
  • the burner assembly according to Figure 2 is designed such that the mixing chamber 3 'between the pore material or the flame holder 6' and the flame barrier layer T is arranged.
  • the gas supply takes place in this case via a circulating gas distributor ring 13 directly into the mixing chamber 3 '. This is intended to prevent the combustion from being prematurely and uncontrolled within the regenerator 6 ', which in the case of the configuration shown in FIG. renmaterials on the ignition temperature of the fuel can not be completely excluded.
  • the gas distributor ring 13 has distributed over the circumference a plurality of tangentially and / or axially disposed gas nozzles 14, via which the gas at high speed in the mixing chamber 3 'occurs so that in the relatively small space, a sufficiently homogeneous mixture can be achieved.
  • the actual flame holder 6 ' is formed relatively thin in this embodiment, since it does not act simultaneously as a heat storage (regenerator) in this variant.
  • the regenerator can be formed by the heat capacity of the pore material and a separate component together.
  • the regenerative pore burner 1 according to the invention is to have a burning power of 300 kW, it is recommended that the internal diameter at the outlet side of the regenerative pore burner be of the order of approximately 300 mm.
  • the thickness of the cylindrical wall 2 of the preferably made of refractory concrete housing 2 is about 150 mm, so that the outer diameter of the housing is about 300 to 500 mm.
  • a pore material having a volume of about 35,000 to 60,000 cm 3, preferably about 60,000 cm 3, are used. It is also possible for the respective associated burners of a regenerative pore burner device to be arranged in a common housing. In this way, a further reduction in manufacturing costs and the required space required can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsbrenner mit einem zu einem Verbrennungsraum (B) hin offenen Gehäuse (2, 2'), in dem ein Porenmaterial (6, 6') zur Verbrennung eines Brennstoff-/Luftgemisches, insbesondere eine Gas/Luftgemisches, angeordnet ist. Der Strahlungsbrenner ist als Regenerativ-Porenbrenner mit einem Regenerator ausgebildet, der ganz oder teilweise durch das Porenmaterial (6) gebildet oder als in dem Gehäuse (2, 2') angeordnetes separates Bauteil (12) ausgebildet ist, wobei in einem Regenerativ-Modus der Regenerator beieinem Absaugen von heißem Abgas (A) aus dem Verbrennungsraum (B) thermisch aufgeladen wird, und wobei in einem Feuerungsmodus die in dem Regenerator (6, 12) gespeicherte Wärme zur Vorheizung des Brennstoff-/Luftgemisches, falls die Gemischbildung in Strömungsrichtung vor dem Regenerator (6) erfolgt, oder zur Vorheizung der Verbrennungsluft, falls die Gemischbildung in Strömungsrichtung hinter dem Regenerator (12) erfolgt, wieder abgegeben wird.

Description

Strahlungsbrenner sowie Strahlungsbrenneranordnung
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsbrenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , eine Strahlungsbrenneranordnung sowie einen von wenigstens einem Strahlungsbrenner beheizten Ofen, der beispielsweise in der Stahlindustrie als Wärmebehandlungsöfen oder als Schmelzofen für die Aluminiumindustrie ein- gesetzt werden kann.
Es ist bekannt, Strahlungsbrenner als Porenbrenner auszubilden. Porenbrenner weisen im Wesentlichen einen zweischichtig aufgebauten Porenkörper auf. Die eine Schicht dient dabei als Flammenhalter und die andere Schicht als Flammen- sperre. Die Anordnung des Porenkörpers erfolgt in einem Gehäuse, wobei oberhalb des Porenkörpers ein Mischraum vorgesehen ist, in welchem der Brennstoff - beispielsweise Erd- oder Prozessgas - und die Luft miteinander vermischt werden. Das Gehäuse bekannter Porenbrenner besteht aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff. Die Verbrennung läuft überwiegend innerhalb der als Flammenhalter dienenden Porenschicht ab. Aufgrund dieses Umstandes sind die bekannten Porenbrenner als Strahlungsbrenner anzusehen. Nachteilig bei den bisher bekannten Porenbrennern ist, dass diese mit kalter Verbrennungsluft betrieben werden und die Abgaswärme entweder ungenutzt direkt in die Atmosphäre entweicht oder über spezielle Wärmetauschersysteme zurückgewonnen werden muss. Nachteilig ist weiterhin der Umstand, dass Porenbrenner bekannter Bauart in ein metallisches Gehäuse aus entsprechend hoch- wertigen Materialien eingebettet werden müssen. Weiterhin sind im Stand der Technik sog. Regenerativ-Brenner bekannt. Diese weisen grundsätzlich zwei oder mehr Einzelbrenner auf. Unter Einzelbrennern ist in diesem Fall eine Kombination aus räumlich voneinander getrennten Komponenten Brennerkopf und einem sog. Regenerator zu verstehen. Bei einem Regenera- tivbrenner befindet sich jeweils wenigstens ein Brenner bzw. bevorzugt eine Hälfte einer Brennergruppe im sog. Feuerungsmodus. Der jeweils andere Brenner bzw. die zweite Hälfte der Brennergruppe befindet bzw. befinden sich im sogenannten Regenerativ-Modus. Letzteres bedeutet, dass die sich im Verbrennungsraum befindlichen Abgase der sich im Feuerungsmodus befindlichen Brenner über die im Regenerativ-Modus befindlichen Brennerköpfe bzw. Regeneratoren abgesaugt werden und dort den überwiegenden Teil ihres Wärmeinhaltes an eine Wärmetauschermasse abgeben. Nach einer vorgegebenen Zeit - üblicherweise 60 Sekunden - erfolgt eine Umschaltung, und die bisher im Regenerativ-Modus betriebenen Brenner arbeiten im Feuerungsmodus, und die vorher im Feuerungsmodus betrie- benen Brenner werden dann im Regenerativ-Modus betrieben. Dabei nimmt die Verbrennungsluft die vorher in den Regeneratoren gespeicherte Abgaswärme auf.
Dies führt im Vergleich zu Kaltluftbrennern bzw. Warmluftbrennern mit Rekupera- tiv-Luftvorwärmung zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung bzw. einer erheb- liehen Brennstoffersparnis.
Regenerativbrenner werden u.a. in der Stahlindustrie an Wärmebehandlungsöfen sowie in der Aluminiumindustrie an Schmelzöfen eingesetzt. In beiden Fällen handelt es sich um Brenner mit hohem Vorwärtsimpuls und dementsprechend langen Brennflammen, wobei die Brenner in der Regel in die Seitenwände des jeweiligen Ofens integriert sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders energiesparenden und in eine Ofendecke integrierbaren Strahlungsbrenner mit entspre- chend flacher Flamme zu schaffen. Ferner soll der Brenner kostengünstig herstellbar sein und dessen ungeachtet sehr hohen Temperaturen standhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strahlungsbrenner mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , mit einer Strahlungsbrenner-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 23 sowie mit einem Ofen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 27 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Rahmen der Erfindung werden die Vorteile eines Porenbrenners mit den Vor- teilen eines Regenerativ-Brenners verbunden.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann das Gehäuse zumindest bereichsweise aus Keramik oder einem feuerfestem Material, vorzugsweise aus Feuerfestbeton, bestehen. Durch diese Wahl des Gehäusematerials wird in vorteilhafter Weise eine lange Lebensdauer bei gleichzeitig kostengünstiger und einfacher Herstellung erzielt. Der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner kann damit problemlos für alle üblicherweise an Öfen in der Stahlindustrie gefahrenen Temperaturbereiche eingesetzt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehenen, dass bei dem Regenerativ- Porenbrenner zumindest der Teil des Gehäuses aus einem keramischen oder feuerfesten Material - insbesondere Feuerfestbeton - besteht, welcher in unmittelbarem Kontakt zu dem Innenraum des Ofens steht. Der Einsatz von Feuerfestbeton weist außerdem den Vorteil auf, dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses derjenigen des Porenmaterials angeglichen ist. Deshalb muss keine aufwändige und teure Faserschicht zwischen dem Porenmaterial und der Innenwand des Gehäuses angeordnet werden. Bei Einsatz des erfindungsgemäß vorgesehenen Regenerativ-Porenbrenners wird die im Abgas gespeicherte Wärmemenge zum Aufheizen des jeweils im Regene- rativ-Modus betriebenen Regenerativ-Porenbrenners bzw. dessen Porenmaterials bzw. eines separaten Regenerators genutzt, welche dann im Feuerungsmodus zur Aufwärmung der kalten Verbrennungsluft zugeführt wird. Damit eine ausreichende Wärmemenge im Porenmaterial für das Intervall des Feuerungsmodus bereitsteht, ist das Volumen des Porenmaterials entsprechend groß zu wählen. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Regenerativ-Porenbrenners kann somit gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Energieeinsparung erzielt werden, ohne dass zusätzlicher apparativer Aufwand notwendig ist.
Alternativ wird als Wärmespeicher neben dem Flammenhalter und der Flammen- sperre eine dritte Komponente eingeführt, nämlich ein separater Wärmespeicher (Regenerator), der z.B. aus einem SiC-Material (Siliciumcarbid) hergestellt sein kann. Alle drei Komponenten befinden sich dabei bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen Brennergehäuses. Der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner kann vorteilhaft in bestehende Ofenanlagen eingesetzt werden. Er kann weiterhin mit handelsüblichen Zünd- und Überwachungseinrichtungen sowie handelsüblichen Komponenten für die Gas- und Luftversorgung ausgerüstet werden. In vorteilhafter weise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse aus Keramik oder feuerfestem Material, insbesondere Feuerfestbeton, von einem Mantel aus Stahlblech (Normalstahl) umgeben ist. Dieser Mantel kann bei der Herstellung des Feuerfestbetongehäuses gleichzeitig als Gießform dienen. An dem Blechmantel können zudem alle Anschlussflansche angebracht bzw. angeformt sein. Diese An- schlussflansche dienen beispielsweise zum Anschluss des erfindungsgemäß vorgesehenen Regenerativ-Porenbrenners an dem Ofen sowie zum Anschluss einer Zuführleitung für Verbrennungsluft, die gleichzeitig auch als Abgasleitung dienen kann. Ein weiterer Anschlussflansch kann für eine Gaszuführungsleitung vorgesehen sein.
Eine Zündeinrichtung kann sowohl in Verbindung mit einer Steuerungselektronik als auch als Überwachungseinrichtung für die Flamme eingesetzt werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Strahlungsbrenner-Anordnung sowie einen die erfindungsgemäßen Strahlungsbrenner aufweisenden Ofen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ofens mit zwei erfindungsgemäßen
Strahlungsbrennern (teilweise in Schnittdarstellung), bei denen das flammhaltende Porenmaterial gleichzeitig als Regenerator eingesetzt wird, und
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Strahlungsbrenners in einer alternativen Ausführungsform mit separatem Regenerator.
Figur 1 zeigt einen Ofen OF mit Seitenwänden OFS und einer Ofendecke OF0. In der Ofendecke OF0 sind zwei Aussparungen OFDA angeordnet, in die Regenera- tiv-Porenbrenner 1 eingesetzt sind. Die Anordnung und Anzahl der Regenerativ-Porenbrenner in Figur 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und ist variabel. Zur besseren Übersichtlichkeit sind Befestigungsanordnungen zur Befestigung der Regenerativ-Porenbrenner 1 an dem Ofen OF nicht dargestellt. Entsprechend einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform kann bzw. können ein außen umlaufender Kragen oder Vorsprünge K vorzusehen sein, mittels dessen bzw. mittels derer die Regenerativ-Porenbrenner 1 auf der Oberseite des Ofendeckels OF0 aufliegen und optional mittels Befestigungselementen in dem Ofendeckel bzw. der Ofendecke OF0 befestigt werden.
Die Regenerativ-Porenbrenner 1 weisen jeweils ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2 auf, welches an seiner unteren Stirnseite einen nach innen gerichteten Kragen 2a aufweist, der eine Porenbrenneröffnung 1 a bildet. Der Kragen 2a hält ein auch als "Flammhalter" bezeichnetes Porenmaterial 6, in dem die eigentliche Verbrennung stattfindet, in dem Gehäuse 2. Oberhalb des Porenmaterials 6 ist eine Flammsperrschicht 7 vorgesehen, die ebenfalls aus einem Porenmaterial besteht, welches im Vergleich zu dem flammhaltenden Porenmaterial 6 allerdings feinporiger ausgebildet ist. Insbesondere kann die Flammsperrschicht aus Spinell ausgebildet sein. Oberhalb der beiden Schichten 6 bzw. 7 ist ein Mischraum 3 vorgesehen, in dem eine möglichst homogene Mischung zwischen Luft und dem Brennstoff (z.B. Erd- oder Prozessgas) erzeugt wird. Jeder der Regenerativ-Porenbrenner 1 weist weiterhin eine (bezogen auf Figur 1 ) oben in den Mischraum 3 mündende Gaszufuhr 4 auf. Weiterhin ist an der Oberseite eine Frischluftzufuhröffnung 5 ausgebildet, welche gleichzeitig zur Absaugung von Abgasen A aus dem mit B bezeichneten Brennraum dient. Ein Frischluftgebläse 9 kann über eine Leitung L3 und Ventile V sowie Leitungen Li bzw. L2 Frischluft in die Frischluftzufuhröffnungen 5 des Regenerativ- Porenbrenners 1 pumpen. Der in der Zeichnung links dargestellte Regenerativ- Porenbrenner 1 befindet sich beispielsweise gerade im Feuerungsmodus, während sich der in der Zeichnung rechts dargestellte Regenerativ-Porenbrenner 1 im Regenerativ-Modus befindet. Im Regenerativ-Modus heizt sich das flammhaltende Porenmaterial durch die zwangsweise hindurch geführten Abgase aus dem Brennraum B auf.
Selbstverständlich gilt dies auch für das als Flammsperrschicht wirkende Poren- material 7, das ebenfalls eine gewisse Wärmemenge aus dem hindurchströmenden Gasstrom speichert; insofern bewirkt das flammhaltende Porenmaterial 6 die Regeneratorfunktion letztlich in diesem Fall nur teilweise.
Die jeweilige Betriebsart kann durch eine Steuerung der Ventile V sowie der Gas- zufuhr eingestellt werden, was durch eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung taktweise - z.B. im Minutentakt - bewirkt wird. Mittels einer Zündeinrichtung Z kann der Regenerativ-Porenbrenner 1 gezündet werden, derart, dass eine Flamme F bzw. hiervon ausgehende Strahlungswärme durch die Aussparung OFDA in den Brennraum B eintritt. Über eine Leitung L4 wird das Abgas mittels eines Gebläses 10 in Richtung eines Kamins 11 befördert.
In einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlungsbrenners 1 ', der schematisch in Figur 2 dargestellt ist, kann der Regenerator auch als gegenüber dem Porenmaterial separates Bauteil ausgebildet sein. In Figur 2 sind gegenüber Figur 1 gleichwirkende Elemente mit gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Anordnung der Leitungen und Ventile außerhalb des Porenbrenners entspricht dabei der Darstellung in Figur 1 und ist daher nicht erneut dargestellt.
Das Gehäuse 2' ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 aus Keramik aus- gebildet und von einem Stahlblechmantel 8' umgeben, der mit einem metallischen Kragen K' an der Ofendecke OF befestigt ist.
Gemäß Figur 2 ist das Porenmaterial 6' als reiner Flammenhalter und damit mit einer vergleichsweise dünnen Schichtdicke konzipiert. Ein separater Regenera- tor 12 ist oberhalb der Flammsperrschicht T angeordnet. Der Regenerator ist im Beispiel aus einem Siliciumcarbid (SiC)-Matehal hergestellt, das von dem Luftbzw. Abgasstrom durchströmt wird. Selbstverständlich können für den Regenerator auch andere Materialien mit ausreichender Temperaturbeständigkeit und möglichst hoher Wärmekapazität verwendet werden, z.B. keramische Materialien. Die Flammsperrschicht kann aus Spinell hergestellt sein.
Abweichend von der anhand von Figur 1 beschriebenen Bauweise ist der Brenneraufbau gemäß Figur 2 derart ausgeführt, dass der Mischraum 3' zwischen dem Porenmaterial bzw. dem Flammhalter 6' und der Flammsperrschicht T angeordnet ist. Die Gaszufuhr erfolgt in diesem Falle über einen umlaufenden Gasverteilerring 13 direkt in den Mischraum 3'. Dadurch soll verhindert werden, dass bereits innerhalb des Regenerators 6' die Verbrennung vorzeitig und unkontrolliert einsetzt, was bei der in Figur 1 dargestellten Konfiguration bei Aufheizung des Po- renmaterials auf die Zündtemperatur des Brennstoffs nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.
Der Gasverteilerring 13 hat über den Umfang verteilt mehrere tangential und/oder axial angeordnete Gasdüsen 14, über die das Gas mit hoher Geschwindigkeit in den Mischraum 3' eintritt, damit in dem relativ kleinen Raum ein ausreichend homogenes Gemisch erzielt werden kann. Der eigentliche Flammhalter 6' ist in dieser Ausführungsform relativ dünn ausgebildet, da er bei dieser Variante nicht gleichzeitig als Wärmespeicher (Regenerator) fungiert.
Selbstverständlich ist es prinzipiell auch möglich, beide Ausführungsformen miteinander zu verbinden; d.h. der Regenerator kann durch die Wärmekapazität des Porenmaterials und ein separates Bauelement gemeinsam gebildet werden. Wenn der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner 1 beispielsweise eine Brennleistung von 300 kW aufweisen soll, empfiehlt es sich, dass der Innendurchmesser an der Austrittsseite des Regenerativ-Porenbrenners in der Größenordnung von ca. 300 mm liegt. Die Stärke der zylindrischen Wandung 2 des vorzugsweise aus Feuerfestbeton ausgebildeten Gehäuses 2 beträgt dabei ca. 150 mm, so dass der Außendurchmesser des Gehäuses ca. 300 bis 500 mm beträgt. Um beispielsweise Taktzeiten in einem Bereich von 30 bis 90 s zu erzielen, wird ein Porenmaterial mit einem Volumen von ca. 35.000 bis 60.000 cm3, vorzugsweise etwa 60.000 cm3, eingesetzt. Es ist auch möglich, dass die jeweils zusammengehörenden Brenner einer Rege- nerativ-Porenbrenner-Einrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch kann eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten sowie des erforderlichen Platzbedarfes erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsbrenner mit einem zu einem Verbrennungsraum (B) hin offenen Gehäuse (2, 2'), in dem ein Porenmaterial (6, 6') zur Verbrennung eines Brennstoff-/Luftgemisches, insbesondere eine Gas/Luftgemisches, ange- ordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Strahlungsbrenner als Regenerativ-Porenbrenner mit einem Regenerator ausgebildet ist, der ganz oder teilweise durch das Porenmaterial (6) gebildet oder als in dem Gehäuse (2') angeordnetes separates Bauteil (12) ausgebildet ist, wobei in einem Regenerativ-Modus der Regenerator (6, 12) bei einem Absaugen von heißem Abgas (A) aus dem Verbrennungsraum (B) thermisch aufgeladen wird, und wobei in einem Feuerungsmodus die in dem Regenerator (6, 12) gespeicherte Wärme zur Vorheizung des Brennstoff-/Luftgemisches, falls die Gemischbildung in Strömungsrichtung vor dem Regenerator (6) erfolgt, oder zur Vorheizung der Verbrennungsluft, falls die Gemischbildung in Strömungsrichtung hinter dem Regenerator (12) erfolgt, wieder abgegeben wird.
2. Strahlungsbrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2) zumindest bereichsweise aus Keramik oder einem feuerfestem Material, vorzugsweise aus Feuerfestbeton, gebildet ist.
3. Strahlungsbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Regenerator durch das Porenmaterial (6) gebildet ist, wobei das Porenmaterial (6) im Feuerungsmodus als Verbrennungszone und im Regene- rativ-Modus zur Abgabe von gespeicherter Wärme dient.
4. Strahlungsbrenner nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das als Regenerator wirkende Porenmaterial (6) bei einem Absaugen von heißem Abgas (A) aus dem Verbrennungsraum (B) thermisch aufladbar ist, während das heiße Abgas (A) durch eine Brenneröffnung (1a) und das den Regenerator bildende Porenmaterial (6) in Richtung einer Zuführ-/Abluft- leitung (5, Li, L2, L4) strömt.
5. Strahlungsbrenner nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
an der der Brenneröffnung (1a) abgewandten Seite des Porenmaterials (6) eine vorzugsweise feinporige Flammsperrschicht (7) angeordnet ist, die das Porenmaterial (6) von einem Mischraum (3) trennt, wobei die Flammsperr- schicht bevorzugt aus Spinell besteht.
6. Strahlungsbrenner nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Mischraum (3) eine Gaszuführleitung (4) endet, und dass in dem
Mischraum (3) weiterhin die Zuführ-/Abluftleitung (5) endet, die im Brennerbetrieb als Zuführleitung für Frischluft und im Regeneratorbetrieb als Abluftkanal dient.
7. Strahlungsbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Regenerator als separater Wärmespeicher (12) innerhalb des Brennergehäuses (2') ausgebildet ist.
8. Strahlungsbrenner nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der separat ausgebildete Regenerator (12) im Wesentlichen aus einem gasdurchlässig ausgebildeten Siliciumcarbid (SiC)-Material hergestellt ist.
9. Strahlungsbrenner nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der separat ausgebildete Regenerator (12) von dem Verbrennungsraum (B) durch eine vorzugsweise durch ein feinporiges Porenmaterial gebildete
Flammsperrschicht (7'), einen Mischraum (3'), in dem die Gemischbildung erfolgt, sowie das dem Verbrennungsraum (B) unmittelbar zugewandte Porenmaterial (6'), in dem die eigentliche Verbrennung erfolgt, getrennt ist.
10. Strahlungsbrenner nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Eindüsung von Gas als Brennstoff in den Mischraum (3') durch einen den Mischraum umfangsmäßig umgebenden Gasverteilerring (13) mit meh- reren tangential und/oder axial angeordneten Düsen (14) erfolgt.
11. Strahlungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2, 2') zylinderförmig ausgebildet ist, wobei die eine Stirnseite eine Brenneröffnung (1a, 1a') aufweist und wobei die zylindrische Wandung
(2, 2') aus Feuerfestbeton ist.
12. Strahlungsbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2, 2') eine umlaufende Gehäusewandung aufweist, die das Porenmaterial (6, 6') umschließt, und dass der Querschnitt des Gehäuses (2, 2') rechteckig oder vieleckig ausgebildet ist und die Brenneröffnung (1a, 1a') rund, rechteckig, vorzugsweise quadratisch, oder vieleckig ausgebildet ist.
13. Strahlungsbrenner nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandung des Gehäuses (2, 2') einen nach innen gerichteten, vorzugsweise angeformten und/oder umlaufend ausgebildeten Kragen (2a, 2a') aufweist, der die Brenneröffnung (1a, 1a') seitlich begrenzt und an dessen nach innen gewandter Seite das Porenmaterial (6, 6') anliegt.
14. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2, 2') ganz oder zumindest bereichsweise aus keramischem
Material besteht.
15. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich oder vor der Brenneröffnung (1a, 1a') eine Zündvorrichtung (Z) zum Zünden eines Gas-Frischluftgemischs angeordnet ist, wobei die Zündvorrichtung (Z) vorzugsweise zumindest teilweise in dem die Brenneröffnung (1a, 1a') begrenzenden Kragen (2a, 2a') oder der zylindrischen Wan- düng, vorzugsweise in einem Kanal, angeordnet ist.
16. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zylindrische Wandung des Gehäuses (2, 2a') eine Dicke von 100 bis 200 mm, vorzugsweise von etwa 150 mm, aufweist.
17. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für eine angestrebte Brennerleistung von 300 kW die Brenneröffnung (1a, 1a') eine Querschnittsfläche von 500 cm2 bis 900 cm2, vorzugsweise
700 cm2, aufweist.
18. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Falle eines separat ausgebildeten Regenerators bevorzugt aus SiC bestehende Porenmaterial (6, 6') für eine 300 kW-Brennerleistung ein Volumen von 35.000 cm3 bis 60.000 cm3, bevorzugt ein Volumen von etwa
60.000 cm3 aufweist.
19. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Porenmaterial (6, 6') aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Zirkoni- umoxid oder einer Mischung dieser Verbindungen gebildet ist.
20. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Regenerativ-Porenbrenner (1, 1') als Flachflammenbrenner ausgebildet ist, dessen Flamme im Wesentlichen innerhalb des Porenmaterials (6, 6') brennt und nicht oder kaum aus der Porenoberfläche austritt.
21. Strahlungsbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2, 2') von einem Mantel aus Stahlblech (8, 8') umfasst ist, welcher vorzugsweise als Gießform für den das Gehäuse bildenden Feuerfestbeton dient, wobei an dem Mantel aus Stahlblech vorzugsweise Befestigungsmittel (K, K') zum Befestigen des Regenerativ-Porenbrenners an einem Ofen (OF) angeordnet, insbesondere angeformt, sind.
22. Strahlungsbrenner nach Anspruch 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
an dem Mantel (8, 8') mindestens ein Befestigungsflansch zum Anschluss von Zuführ- und/oder Abgasleitungen (Li, L2) angeordnet ist bzw. sind.
23. Strahlungsbrenner-Anordnung, bestehend aus mindestens zwei als Rege- nerativ-Porenbrenner ausgebildeten Strahlungsbrennern (1, 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einer Steuerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Steuerungseinrichtung schaltbare Ventile (V) vorgesehen sind, derart, dass die Zuführ-/Abluftleitung (Li, L2) jedes Porenbrenners im Feuerungs-Modus mit einer Frischluftzufuhrquelle (9) und im Regenerativ-Modus mit einer Abgasleitung (L4, 11 ) verbunden wird.
24. Strahlungsbrenner-Anordnung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerungseinrichtung die Porenbrenner (1, 1') alternierend im Feue- rungs-Modus und im Regenerativ-Modus betreibt, wobei gleichzeitig mindestens ein Porenbrenner in den Feuerungs-Modus und mindestens ein Porenbrenner in den Regenerativ-Modus geschaltet ist bzw. betrieben wird.
25. Strahlungsbrenner-Anordnung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porenbrenner (1, 1') über vier Schaltventile (V) mit der Frischluftquelle oder der Abgasleitung verbindbar sind.
26. Strahlungsbrenner-Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porenbrenner in einem Gehäuse aus Keramik oder Feuerfestbeton angeordnet sind, wobei die einzelnen Austrittsöffnungen der Porenbrenner voneinander mittels mindestens einer Trennwand getrennt sind.
27. Ofen mit wenigstens einem Strahlungsbrenner oder einer Strahlungsbrenner-Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der bzw. die Regenerativ-Porenbrenner (1, 1') in einer Decke (OF0) oder einer Seitenwand (OFS) des Ofens (OF) angeordnet ist/sind.
28. Ofen nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ofendecke (OF0) mindestens eine Aussparung (OFDA) für ein oder meh- rere Regenerativ-Porenbrenner (1, 1') oder ein oder mehrere Regenerativ-
Porenbrenner-Anordnungen aufweist, wobei ein Gehäuse des Regenerativ- Porenbrenners (1, 1') bzw. der Regenerativ-Porenbrenner-Anordnung mittels radial nach außen vorstehender Vorsprünge oder mittels eines radial nach außen gerichteten umlaufenden Kragens (K, K') auf der Oberseite der Decke (OF0) abstützt ist.
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