WO2011091872A2 - Brenner für peroxy-brennstoffe und ofen mit einem solchen brenner - Google Patents

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WO2011091872A2
WO2011091872A2 PCT/EP2010/066084 EP2010066084W WO2011091872A2 WO 2011091872 A2 WO2011091872 A2 WO 2011091872A2 EP 2010066084 W EP2010066084 W EP 2010066084W WO 2011091872 A2 WO2011091872 A2 WO 2011091872A2
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Kirti Bhushan Mishra
Klaus-Dieter Wehrstedt
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Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)
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    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
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    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/14—Details thereof
    • F23K5/142—Fuel pumps
    • 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 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/24—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by pressurisation of the fuel before a nozzle through which it is sprayed by a substantial pressure reduction into a space
    • 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 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the present invention relates to a burner for peroxy fuels, in particular a burner for use in the process industry, and a furnace in which such a burner is used.
  • combustion processes One of the main uses of combustion processes is heat generation, whether for industrial, electricity or heating purposes. Another important application of combustion processes is mobility, as currently the vast majority of vehicles are powered by internal combustion engines. In addition, combustion processes are also used to thermally recover waste materials or to make toxins harmless by means of combustion.
  • Combustion processes are also frequently used in the so-called process industry, including, in particular, companies in the field of glass, steel and steel
  • cement production and the suppliers of this industry are understood.
  • the process industry processes materials and materials in chemical, physical, biological or other engineering processes and processes.
  • materials and materials for example, implemented, molded, mixed or demixed, poured, pressed, etc.
  • the combustion processes used are often high-temperature processes that are used in the production of various materials.
  • the raw meal is burnt in a rotary kiln at temperatures of about 1450 ° C. to form so-called clinker.
  • temperatures of up to 2500 ° C are reached for some engineering ceramics. In furnaces also high temperatures are achieved.
  • Combustion efficiency sought, among other things, the fuel consumption
  • the combustion behavior depends in particular on the properties of the fuel used, the atmosphere in which the combustion process takes place, the burner design and the desired heat transfer rate of the flame.
  • burners in melting furnaces of the glass or steel industry use methane jet flames, oil or coal in order to achieve the desired heat transfer by means of radiation.
  • methane jet flames oil or coal in order to achieve the desired heat transfer by means of radiation.
  • the fuel should burn faster, produce larger flames, have a higher flame temperature, and produce fewer combustion end products, such as NO x and CO.
  • hydrocarbon fuels are virtually impossible to ensure, as they burn relatively slowly under normal conditions and generate abundant soot and other emissions. Therefore, for the combustion of conventional hydrocarbon fuels, typically methods such as injecting gas jets in air or in a partially mixed state or injecting atomized oil jets in air are used. However, these methods produce large glowing flames and thus more soot. Furthermore, due to incomplete combustion, more pollutants, such as CO x and NO x , are also generated. In addition, these methods require the addition of oxidants to improve the completeness of combustion.
  • a burner for peroxy fuels comprises a fuel reservoir and a burner nozzle, which is connected via a fuel line to the fuel reservoir. Between the fuel reservoir and the burner nozzle, a fuel feed pump is arranged in the fuel line.
  • the electric pump power of the fuel delivery pump is adapted to be at least 0.08 times smaller than the pump electric power of a fuel delivery pump for an oil burner having the same heat release rate as the peroxide fuel burner.
  • the burner may have a heat release rate in the range of 1100 kW to 3500 kW with the electric pump power of the peroxy fuel burner being less than 0.6 kW.
  • the electrical pumping capabilities can be significantly reduced. In this way, the efficiency of the combustion process is significantly increased.
  • the electric pump power in the percentage range it is for the specially adapted peroxy burners almost two orders of magnitude below.
  • the pump power in a peroxy burner according to the embodiments of the present invention the required pump power at 0.25 kW or even only 0.06 kW, depending on the fuel used.
  • Oil burners of the type mentioned are available, for example, from RAY ⁇ l- and Gasbrenner GmbH, Fellbach, Germany.
  • the pump efficiency for the efficiency of the process becomes practically meaningless.
  • delivery pumps with lower performance have a significantly lower market price, so are cheaper.
  • the peroxy fuel burner has a maximum mass flow rate for the peroxy fuel of 70 kg / h. Due to the burn-off properties of the peroxy fuels used, this mass flow rate is sufficient and is thus up to almost two orders of magnitude below the mass flow rates required for comparable oil burners. Thus, comparable oil burners have mass flow rates in the range of 90 to 300 kg / h.
  • the diameter of the burner outlet is at least a factor of 0.5 smaller than the diameter of the burner outlet of an oil burner, which has the same heat release rate as the peroxide fuel burner.
  • conventional oil burners have outlet diameters of about 1.5 meters whereas the outlet diameters of the peroxy burners are typically in the range of 0.4 meters to 0.7 meters. Due to the properties of the peroxy fuels, the burner head, and in particular the burner outlet, can be made smaller than a burner head for an oil burner of comparable performance. As a result, the burner saves space and can also be used in smaller combustion chambers.
  • the burner has no supply of an oxidizing agent.
  • oxidants need to be added to ensure as complete a combustion as possible.
  • this technique requires additional facilities to provide the oxidant at the place of combustion.
  • This elaborate technique can be omitted in the specially adapted peroxy fuel burners, since the peroxy fuels due to their chemical structure provide the combustion process active oxygen and therefore it does not require an external supply of oxidants.
  • a pumpless burner for peroxy fuels comprises a fuel reservoir and a burner nozzle, which is connected via a fuel line to the fuel reservoir. Between the fuel reservoir and the burner nozzle, a fuel control valve is arranged in the fuel line. The fuel reservoir is located above the burner outlet. Typically, the burner has a heat release rate in the range of 1100 kW to 3500 kW and a maximum mass flow rate for the peroxy fuel of 70 kg / h.
  • the burner Since the burner is adapted to the use of peroxy fuels, due to the significantly higher burning rate compared to oil or natural gas in the combustion of peroxy fuels natural suction occurs.
  • the gravitational pressure arising from the arrangement of the fuel reservoir is sufficient to remove the fuel from the reservoir Burner outlet to transport. In this way, the complex pump technology can be omitted.
  • the diameter of the burner outlet is at least 0.5 times smaller than the diameter of the burner outlet of an oil burner having the same heat release rate as the peroxy fuel burner. Due to the properties of the peroxy fuels, the burner head, and in particular the burner outlet, can be made smaller than a burner head for an oil burner of comparable performance. As a result, the burner saves space and can also be used in smaller combustion chambers.
  • the burner has no supply for an oxidizing agent.
  • the peroxy fuels provide active oxygen to the combustion process, so that an external supply of oxidizing agents can be dispensed with.
  • the burners described above can be used in particular in industrial furnaces.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a burner.
  • Fig. 2 measured maximum flame temperatures of di-tert-butyl peroxide and kerosene.
  • Fig. 3 measured Massenabbrandraten di-tert-butyl peroxide and kerosene depending on the pool diameter.
  • Fig. 4 measured Massenabbrandraten of di-tert-butyl peroxide, tert-butyl peroxybenzoate, tert-butyl peroxy-2-ethylhexanoate, di-isononanoyl peroxide and tert-butyl hydroperoxide and kerosene depending on the polyolefin diameter.
  • Fig. 5 is a schematic representation of a Peroxybrennstoff-burner according to a
  • Fig. 6 is a schematic representation of a pumpless peroxy fuel burner according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 is a schematic representation of an industrial furnace according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a burner head 12 for in particular liquid
  • the burner head 12 has a supply 10 with a first diameter and a burner outlet 16 with a second diameter.
  • the second diameter of the burner outlet 16 is smaller than the first diameter of the supply 10.
  • a tapered piece 14 is inserted, which tapers the diameter of the burner head from the first diameter of the supply line 10 to the second diameter of the burner outlet 16 ,
  • the fuel flows out of the burner outlet 16 at the mass flow rate per unit area m.
  • the mass flow rate is linked to the pressure difference ⁇ at point 1 or 2 (see dashed line in FIG. 1) as follows:
  • FIG. 2 shows a comparison of the maximum flame temperatures for pool fire of di-tert-butyl peroxide (DTBP) and kerosene in a conventional hydrocarbon fuel, for different pool diameters.
  • DTBP di-tert-butyl peroxide
  • Di-tert-butyl peroxide is a dialkyl peroxide with the
  • Di-tert-butyl peroxide is a colorless to yellowish, highly volatile, water-insoluble and non-explosive liquid.
  • a pool fire is usually understood a generally turbulent diffusion flame whose liquid fuel is spread horizontally.
  • pool fires are a type of frequent fire damage that can arise, for example, during storage, transport and processing of liquid fuels.
  • the chemical and physical fundamentals of pool fire are well studied and will not be discussed here. The comparison of the maximum
  • the DTBP pool flame reaches a temperature range above 1300 ° C, and even above 1500 ° C. Furthermore, measurements have shown that the surface radiation flux of the DTBP flame is more than twice the surface radiant flux of a hydrocarbon flame.
  • High temperature processes occurring in this high temperature range include, for example, the melting of glass and / or metals, cement production, and ceramic production.
  • DTBP burns almost ten times faster than a conventional hydrocarbon fuel.
  • Fig. 3 is a comparison of
  • Mass burnup rates for pool fire of DTBP and kerosene plotted logarithmically for different pool diameters are almost an order of magnitude higher than those of kerosene. Furthermore, the vary
  • Examples of embodiments of the present invention include tert-butyl (peroxybenzoate), (abbr .: TBPB), tert-butyl (peroxy-2-ethylhexanoate), (abbr .: TBPEH), diisononanoyl peroxide (abbr .: ⁇ ) and tert-butyl (hydroperoxide), (abbr .: TB HP). All of these peroxy fuels have their uses in burners according to the
  • Embodiments of the present invention similar properties as DTBP.
  • a comparison of the mass burn rates for pool fire of the above peroxy fuels and kerosene for different pool diameters is log-logarithmic
  • Mass burn rates have as DTBP.
  • the organic peroxides used with burners according to the embodiments may comprise both liquid and solid organic peroxides.
  • solid organic peroxides can be fed to the burner in powder form.
  • Corresponding delivery devices for transporting the powder to the burner are familiar to the person skilled in the art.
  • Massenabbrandrate as the natural rate of burn of an organic peroxide over a hundred times greater pressure difference.
  • This pressure difference is usually provided by means of hydraulic pumps.
  • the electric power E for the drive of such a pump is proportional to the required pressure difference:
  • a burner 100 for peroxy fuels comprises a fuel reservoir 102 and a burner nozzle 1 12, which is connected via a fuel line 108, 104 with the fuel reservoir 102. Between the fuel reservoir 102 and the burner nozzle 1 12, a fuel feed pump 106 in the fuel line 104, 108 is arranged.
  • the electric pump power E of the fuel feed pump 106 is adapted to be at least 0.08 times smaller than the pump electric power of a fuel oil pump for an oil burner having the same heat release rate as the peroxide fuel burner.
  • the burner 100 has a heat release rate in the range of 1100 kW to 3500 kW, with the pump electric power of the peroxide fuel burner 100 being less than 0.6 kW.
  • An oil burner with a heat release rate in the same range requires one electric pump power of about 7.5 kW.
  • the electric pump powers E can be reduced dramatically. In this way, the efficiency of the combustion process is significantly increased.
  • the electric pump power in the percentage range of the total power it is for the specially adapted peroxy burners almost two orders of magnitude below.
  • the pump performance for the efficiency of the process is practically meaningless.
  • delivery pumps with lower performance have a significantly lower market price, so are cheaper.
  • the peroxy fuel burner 100 has a maximum mass flow rate of the peroxy fuel of 70 kg / h. Due to the burn-off properties of the peroxy fuels used, this mass flow rate is sufficient and is thus almost two orders of magnitude below the mass flow rates of 98 to 294 kg / h required for comparable oil burners. Furthermore, the diameter of the burner outlet 112 is at least 0.5 times smaller than the diameter of the burner outlet of the comparable oil burner, which has the same heat release rate as the peroxide fuel burner. Oil burners having a heat release rate in the range of 1100 kW to 3500 kW typically have diameters of 1.5 m, while in the adapted peroxy burner 100 a diameter between 40 cm and 70 cm is sufficient.
  • the burner 100 has no supply for an externally supplied oxidizing agent.
  • only openings around the burner outlet 112 are shown. These are sufficient to suck in ambient air 116 due to the natural suction pressure. This then serves for combustion in the flame 114.
  • oxidants In conventional industrial burners, which burn oil, kerosene or natural gas, usually oxidants must be added under pressure to guarantee the most complete combustion possible. Apart from the fact that the oxidants themselves are of course a cost factor, this technique requires additional facilities to provide the oxidant at the place of combustion. This elaborate technique can be omitted in the specially adapted peroxy fuel burner 100, since the peroxy fuels provide active oxygen to the combustion process due to their chemical structure and therefore do not require an external supply of oxidizing agents.
  • a pumpless burner 200 is provided for peroxy fuels.
  • the pumpless burner 200 includes a fuel reservoir 202 and a burner nozzle 212 which is connected to the fuel reservoir 202 via a fuel line 204, 208. Between the fuel reservoir 202 and the burner nozzle 212, a fuel control valve 206 is disposed in the fuel line 204, 208.
  • the fuel reservoir 202 is disposed about a height H above the burner outlet 212.
  • Pumpless burner 200 has a heat release rate in the range of 1100 kW to 3500 kW and a maximum mass flow rate for the peroxy fuel of 70 kg / h.
  • burner 200 is adapted for use with peroxy fuels, naturally-aspirated combustion of the peroxy fuels occurs due to the significantly higher burning rate compared to oil or natural gas.
  • the gravitational pressure created by the increased location of the fuel reservoir 202 is sufficient to transport the fuel from the reservoir 202 to the burner outlet 212. In this way, the existing in conventional oil burners consuming pump technology can be omitted.
  • the diameter of the burner outlet 212 is at least 0.5 times smaller than the diameter of the burner outlet of an oil burner having the same heat release rate as the peroxy fuel burner 200. Due to the properties of the peroxy fuels, the burner head, and in particular the burner outlet 212, can be made smaller than a burner head for an oil burner of comparable performance. As a result, the burner 200 saves space and can also be used in smaller combustion chambers. Furthermore, the burner 200 has no supply of an oxidizing agent. As already explained above, due to their chemical structure, the peroxy fuels provide active oxygen to the combustion process, so that an external supply of oxidizing agents can be dispensed with. The supply of ambient air 216 via the natural suction effect is sufficient to provide - together with the active oxygen contained in the peroxy fuel - the flame sufficient oxygen available.
  • the peroxy burners described above can be used in particular in industrial furnaces.
  • Such an industrial furnace 300 is shown schematically in FIG.
  • the industrial furnace 300 in this case has a combustion chamber 310, which can be charged via a feed device 314. Via an output device 318, the feed material can be removed again from the combustion chamber 310 after the firing process.
  • the combustor has a secondary air access 312 through which air, oxygen or other oxidant may be added as needed to combustion.
  • the combustion chamber has an exhaust gas outlet 316, via which the combustion gases or other gases formed in the combustion chamber 310 during the firing process can be discharged from the combustion chamber 310.
  • the burner outlet 306 is a peroxy burner according to a
  • Embodiment of the present invention disposed in a wall of the combustion chamber 310.
  • the peroxy fuel burns with a flame 308 and thus releases a corresponding amount of heat in the combustion chamber 310.
  • Burner outlet is via a fuel line 304 and a valve 302 with a
  • Feed amount of the peroxy fuel to the burner by means of a control valve or the pump power can be controlled. Due to the described advantages of the peroxide burner, the industrial furnace can be operated at the same power that less electric power is required, a cleaner combustion process is guaranteed and are provided with a smaller and cheaper burner unit the same heat release rate as with an oil or Kerosinbrenner.
  • organic peroxides such as a dialkyl peroxide are used.
  • Dialkyl peroxides are known, for example, from EP 0 472 819 as starting materials for polymeric peroxides.
  • Such polymeric peroxides can be used, for example, for curing unsaturated polyester resins, for the polymerization of ethylenically unsaturated monomers, for curing elastomeric resins, for reducing the molecular weight and for modifying the
  • Typical peroxy fuels suitable for use with the above-mentioned burners include, in particular, di-tert-butyl peroxide (abbreviation: DTBP), tert-butyl (peroxybenzoate), (abbr .: TBPB), tert-butyl (peroxy-2-ethylhexanoate), (abbr .: TBPEH), diisononanoyl peroxide (abbr .: INP) and tert-butyl (hydroperoxide), (abbr. TBHP). All of these peroxy fuels have their uses in burners according to the
  • Embodiments of the present invention have similar characteristics as DTBP.
  • organic peroxides in particular DTBP, TBPB, TBPEH, INP and TBHP, serve as strong combustion accelerators in the industrial high-temperature processes described above because of the active oxygen present in the molecule.
  • the pollutant and soot content of the combustion products can be greatly reduced.
  • This also reduces the cost of such plants, since the external supply of an oxidant, such as air, oxygen or oxygen-enriched air, can be reduced or even omitted, so that can be dispensed with attachments to the plants.
  • the organic peroxides described above as fuel may also be present in admixture with other fuels, especially other liquid fuels.
  • the dialkyl peroxide may be provided as a fuel additive at a level of from 0.1% to 80% by weight of the total weight of the fuel.
  • the dialkyl peroxide may be provided at a level of from 0.1% to 20% by weight of the total weight of the fuel. The exact proportion in the fuel depends on the specific one
  • the fuel may consist entirely of an organic peroxide, in particular of DTBP, TBPB, TBPEH, INP or TBHP.

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Abstract

Brenner für Peroxy-Brennstoffe umfaßt ein Brennstoffreservoir (102) und eine Brennerdüse (112), die über eine Brennstoffleitung (104, 108) mit dem Brennstoffreservoir (102) verbunden ist, sowie eine zwischen dem Brennstoffreservoir (102) und der Brennerdüse (112) in der Brennstoffleitung (104, 108) angeordnete Brennstofförderpumpe (106), wobei die elektrische Pumpenleistung (E) der Brennstofförderpumpe (106) so angepaßt ist, daß sie mindestens um den Faktor 0,08 kleiner ist als die elektrische Pumpenleistung einer Brennstofförderpumpe für einen Ölbrenner, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner (100) aufweist.

Description

Brenner für Peroxy-Brennstoffe und Ofen mit einem solchen Brenner
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für Peroxy-Brennstoffe, insbesondere einen Brenner zur Verwendung in der Prozeßindustrie, sowie einen Ofen, in dem ein solcher Brenner eingesetzt ist.
Die Verbrennung stellt einen der wichtigsten chemischen Prozesse dar, den die Menschheit nutzt. Im Laufe der Zeit sind daher für die verschiedenen Anwendungen von
Verbrennungsprozessen jeweils unterschiedliche Brennstoffe gefunden oder entwickelt worden, die in ihren Eigenschaften für die spezifischen Anwendungen optimiert sind.
Eine der Hauptnutzungen von Verbrennungsprozessen ist die Wärmeerzeugung, sei es für die industrielle Nutzung, die Elektrizitätserzeugung oder für Heizzwecke. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Verbrennungsprozessen ist die Mobilität, da zur Zeit die übergroße Mehrzahl aller Fahrzeuge mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden. Darüber hinaus werden Verbrennungsprozesse auch genutzt, um Abfallstoffe thermisch zu verwerten oder Giftstoffe mittels Verbrennung unschädlich zu machen.
Häufige Anwendung finden Verbrennungsprozesse auch in der sogenannten Prozeßindustrie, worunter insbesondere auch Unternehmen aus dem Bereich der Glas-, Stahl- und
Zementherstellung und die Zulieferer dieser Industrie verstanden werden. Typischerweise verarbeitet die Prozeßindustrie Stoffe und Materialien in chemischen, physikalischen, biologischen oder anderen technischen Prozessen und Verfahren. Dabei werden Stoffe und Materialien beispielsweise umgesetzt, geformt, vermischt oder entmischt, gegossen, gepreßt usw. Die dabei verwendeten Verbrennungsprozesse sind häufig Hochtemperaturprozesse, die bei der Herstellung verschiedenster Materialien eingesetzt werden. So wird beispielsweise bei der Zementherstellung das Rohmehl in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von ca. 1450°C zu sogenanntem Klinker gebrannt. Bei den Sinterprozessen der Keramikherstellung werden für manche technischen Keramiken Temperaturen bis zu 2500°C erreicht. In Schmelzöfen werden ebenfalls hohe Temperaturen erzielt. So werden bei der Glasherstellung im Glasofen Temperaturen um die 1500°C erreicht, bei Metallschmelzöfen können die Prozeßtemperaturen noch höher liegen. Allen Verbrennungsprozessen ist gemein, daß die dabei entstehenden Emissionen, insbesondere NOx, CO und Ruß, unter gesundheitlichen sowie Umweltaspekten bedenklich sind. Es ist daher wünschenswert, Brennstoffe bzw. Verbrennungsprozesse bereitzustellen, bei denen solche Emissionen reduziert sind. Weiterhin wird eine gesteigerte
Verbrennungseffizienz angestrebt, um unter anderem den Brennstoffverbrauch zu
vermindern.
Das Brennverhalten hängt dabei insbesondere ab von den Eigenschaften des verwendeten Brennstoffs, der Atmosphäre, in der der Verbrennungsvorgang abläuft, dem Brennerdesign sowie der gewünschten Wärmeübertragungsrate der Flamme. So verwenden beispielsweise Brenner in Schmelzöfen der Glas- oder Stahlindustrie Methan- Jetflammen, Öl oder Kohle, um den gewünschten Wärmeübertrag mittels Strahlung zu erreichen. Um hier einen
vergleichsweise höheren Übertrag zu erzielen, sollte der Brennstoff schneller verbrennen, größere Flammen erzeugen, eine höhere Flammentemperatur aufweisen sowie weniger Verbrennungsendprodukte, wie etwa NOx und CO, hervorbringen.
Die Erreichung dieser und anderer Ziele ist mit der Verbrennung herkömmlicher
Kohlenwasserstoff-Brennstoffe unter Normalbedingungen praktisch nicht zu gewährleisten, da diese unter Normalbedingungen relativ langsam verbrennen und reichlich Ruß und andere Emissionen erzeugen. Daher werden für die Verbrennung herkömmlicher Kohlenwasserstoff- Brennstoffe typischerweise Verfahren wie das Injizieren von Gasjets in Luft bzw. in einem teilgemischten Zustand oder das Injizieren atomisierter Öljets in Luft angewandt. Diese Verfahren erzeugen jedoch große leuchtende Flammen und somit mehr Ruß. Weiterhin werden aufgrund der unvollständigen Verbrennung auch mehr Schadstoffe, wie etwa COx und NOx, erzeugt. Hinzu tritt, daß diese Verfahren den Zusatz von Oxidanten erfordern, um die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern.
Weiterhin werden oszillierende Verbrennungsprozesse vorgeschlagen, bei denen
beispielsweise mittels eines oszillierend angesteuerten Ventils die Brennstoffzufuhr geregelt wird. Ein solcher oszillierender Verbrennungsprozeß sowie ein entsprechend angepaßter Industrieofen sind in der US 6,398,547 beispielhaft beschrieben.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung einen Brenner gemäß den Ansprüchen 1 und 6 sowie einen Industrieofen gemäß Anspruch 10 vor. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt ein Brenner für Peroxy-Brennstoffe ein Brennstoffreservoir und eine Brennerdüse, die über eine Brennstoffleitung mit dem Brennstoffreservoir verbunden ist. Zwischen dem Brennstoffreservoir und der Brennerdüse ist eine Brennstofförderpumpe in der Brennstoffleitung angeordnet. Die elektrische Pumpenleistung der Brennstofförderpumpe ist so angepaßt, daß sie mindestens um den Faktor 0,08 kleiner ist als die elektrische Pumpenleistung einer Brennstofförderpumpe für einen Ölbrenner, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner aufweist. Typischerweise kann der Brenner eine Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW aufweisen, wobei die elektrische Pumpenleistung des Peroxy-Brennstoffbrenners kleiner als 0,6 kW ist.
Wie weiter unten erläutert werden wird, können mit speziell für Peroxy-Brennstoffe angepaßten Brennern die elektrischen Pumpenleistungen deutlich reduziert werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses deutlich erhöht. Liegt für Ölbrenner die elektrische Pumpenleistung im Prozentbereich, so liegt sie für die speziell angepaßten Peroxy-Brenner fast zwei Größenordnungen darunter. So liegt für einen typischen Ölbrenner mit einer Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW die Pumpenleistung bei ungefähr 7,5 kW, wohingegen die Pumpenleistung bei einem Peroxy- Brenner gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die erforderliche Pumpenleistung bei 0,25 kW oder gar nur bei 0,06 kW, je nach verwendetem Brennstoff, liegt. Ölbrenner des erwähnten Typs sind beispielsweise von RAY Öl- und Gasbrenner GmbH, Fellbach, Deutschland, erhältlich. Angesichts der beschriebenen Reduzierung wird bei den Peroxy-Brennern die Pumpenleistung für den Wirkungsgrad des Prozesses praktisch bedeutungslos. Weiterhin haben Förderpumpen mit einer geringeren Leistung einen deutlich niedrigeren Marktpreis, sind also günstiger.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Peroxy-Brennstoffbrenner eine maximale Massenflußrate für den Peroxy-Brennstoff von 70 kg/h auf. Aufgrund der Abbrandeigenschaften der verwendeten Peroxy-Brennstoffe ist diese Massenflußrate ausreichend und liegt somit bis fast zwei Größenordnungen unterhalb der für vergleichbare Ölbrenner erforderlichen Massenflußraten. So weisen vergleichbare Ölbrenner Massenflußraten im Bereich von 90 bis 300 kg/h auf. Gemäß noch einer Weiterbildung ist der Durchmesser des Brennerauslasses mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner ist als der Durchmesser des Brennerauslasses eines Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brenn Stoffbrenner aufweist. So weisen herkömmliche Ölbrenner Auslaßdurchmesser von ungefähr 1,5 m auf, wohingegen die Auslaßdurchmesser der Peroxy-Brenner typischerweise im Bereich von 0,4 m bis 0,7 m liegen. Aufgrund der Eigenschaften der Peroxy-Brennstoffe kann der Brennerkopf, und dabei insbesondere der Brennerauslaß, kleiner ausgebildet werden als ein Brennerkopf für einen Ölbrenner vergleichbarer Leistung. Dadurch ist der Brenner platzsparend und kann auch in kleineren Brennkammern eingesetzt werden.
Gemäß noch einer Weiterbildung weist der Brenner keine Zuführung für ein Oxidationsmittel auf. Typischerweise müssen bei herkömmlichen Industriebrennern, die Öl, Kerosin oder Erdgas verbrennen, Oxidationsmittel zugesetzt werden, um eine möglichst vollständige Verbrennung zu garantieren. Abgesehen davon, daß die Oxidationsmittel selbst natürlich einen Kostenfaktor darstellen, erfordert diese Technik zusätzliche Einrichtungen, um das Oxidationsmittel am Verbrennungsort bereitzustellen. Diese aufwendige Technik kann bei den speziell angepaßten Peroxy-Brennstoffbrennern entfallen, da die Peroxy-Brennstoffe aufgrund ihrer chemischen Struktur dem Verbrennungsprozeß Aktivsauerstoff bereitstellen und es daher einer externen Zufuhr von Oxidationsmitteln nicht bedarf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein pumpenloser Brenner für Peroxy- Brennstoffe bereitgestellt. Der pumpenlose Brenner umfaßt ein Brennstoffreservoir und eine Brennerdüse, die über eine Brennstoffleitung mit dem Brennstoffreservoir verbunden ist. Zwischen dem Brennstoffreservoir und der Brennerdüse ist ein Brennstoffsteuerventil in der Brennstoffleitung angeordnet. Das Brennstoffreservoir ist oberhalb des Brennerauslasses angeordnet. Typischerweise weist der Brenner eine Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW und eine maximale Massenflußrate für den Peroxy-Brennstoff von 70 kg/h auf.
Da der Brenner zur Verwendung von Peroxy-Brennstoffen angepasst ist, tritt aufgrund der im Vergleich zu Öl oder Erdgas deutlich höheren Brennrate bei der Verbrennung der Peroxy- Brennstoffe ein natürliches Ansaugen auf. Der durch die Anordnung des Brennstoffreservoirs auftretende Gravitationsdruck ist ausreichend, um den Brennstoff aus dem Reservoir zum Brennerauslaß zu transportieren. Auf diese Weise kann die aufwendige Pumpentechnik entfallen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Brennerauslasses mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner als der Durchmesser des Brennerauslasses eines Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner aufweist. Aufgrund der Eigenschaften der Peroxy-Brennstoffe kann der Brennerkopf, und dabei insbesondere der Brennerauslaß, kleiner ausgebildet werden als ein Brennerkopf für einen Ölbrenner vergleichbarer Leistung. Dadurch ist der Brenner platzsparend und kann auch in kleineren Brennkammern eingesetzt werden.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Brenner keine Zuführung für ein Oxidationsmittel auf. Wie bereits oben erläutert wurde, stellen die Peroxy-Brennstoffe aufgrund ihrer chemischen Struktur dem Verbrennungsprozeß Aktivsauerstoff bereit, so dass auf eine externe Zufuhr von Oxidationsmitteln verzichtet werden kann.
Die oben beschriebenen Brenner können insbesondere in Industrieöfen eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnungen. In letzteren zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Brenners.
Fig. 2 gemessene maximale Flammentemperaturen von Di-tert-butylperoxid und Kerosin.
Fig. 3 gemessene Massenabbrandraten von Di-tert-butylperoxid und Kerosin in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser.
Fig. 4 gemessene Massenabbrandraten von Di-tert-butylperoxid, tert-Butyl-peroxybenzoat, tert-Butyl-peroxy-2-ethylhexanoat, Di-isononanoylperoxid und tert-Butyl- hydroperoxid und Kerosin in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser. Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Peroxybrennstoff-Brenners gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines pumpenlosen Peroxybrennstoff-Brenners gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Industrieofens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Brennerkopfes 12 für insbesondere flüssige
Brennstoffe. Der Brennerkopf 12 weist eine Zuführung 10 mit einem ersten Durchmesser und einen Brennerauslaß 16 mit einem zweiten Durchmesser auf. Der zweite Durchmesser des Brennerauslasses 16 ist kleiner als der erste Durchmesser der Zuführung 10. Zwischen der Zuführung 10 und dem Brennerauslaß 16 ist ein Verjüngungs stück 14 eingefügt, das den Durchmesser der Brennerkopfes vom ersten Durchmesser der Zuleitung 10 auf den zweiten Durchmesser des Brennerauslasses 16 verjüngt.
Der Brennstoff strömt aus dem Brennerauslaß 16 mit der Massenflußrate pro Einheitsfläche m . Die Massenflußrate ist dabei mit der Druckdifferenz Δρ am Punkt 1 bzw. 2 (siehe gestrichelte Linie in Fig. 1 wie folgt verknüpft:
Ap oc (mf (1)
Vergleicht man nun diesen Zusammenhang für zwei verschiedene Brennstoffe, beispielsweise Kerosin oder Öl als ersten und ein organisches Peroxid als zweiten Brennstoff, so ergibt sich:
Figure imgf000007_0001
wobei der Index 1 den herkömmlichen Brennstoff und der Index 2 das Peroxid bezeichnet. Es ist nun bekannt, daß die natürliche Massenabbrandrate von organischen Peroxiden bedeutend größer ist als die von Öl oder Kerosin. Dies ist in den Fign. 2, 3 und 4 gezeigt. Die Fig. 2 zeigt einen Vergleich der maximalen Flammentemperaturen für Poolfeuer von Di-tert- butylperoxid (DTBP) und Kerosin einem herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, für verschiedene Pooldurchmesser. Di-tert-butylperoxid ist ein Dialkylperoxid mit der
Summenformel C^Hn02 und der Struktur
CH3 CH3
CH3 CH3
Di-tert-butylperoxid ist eine farblose bis gelbliche, leicht flüchtige, wasserunlösliche und nicht explosive Flüssigkeit. Unter einem Poolfeuer wird üblicherweise eine im allgemeinen turbulente Diffusionsflamme, deren flüssiger Brennstoff horizontal ausgebreitet ist, verstanden. Beispielsweise sind Poolfeuer eine Art von häufig entstehenden Schadenfeuern, die beispielsweise bei Lagerung, Transport und Verarbeitung flüssiger Brennstoffe entstehen können. Insgesamt sind die chemischen und physikalischen Grundlagen von Poolfeuern gut untersucht und werden hier nicht weiter ausgeführt. Der Vergleich der maximalen
Flammentemperaturen zeigt, daß diese für DTBP durchweg deutlich höher liegen als für Kerosin. Insbesondere erreicht lediglich die Poolflamme von DTBP den
Hochtemperaturbereich über 1200°C. Insbesondere erreicht die DTBP-Poolflamme einen Temperaturbereich oberhalb von 1300°C, und sogar oberhalb von 1500°C. Weiterhin zeigten Messungen, daß der Oberflächenstrahlungsfluß der DTBP-Flamme mehr als doppelt so groß wie der Oberflächenstrahlungsfluß einer Kohlenwasserstoff flamme ist. Industrielle
Hochtemperaturprozesse, die in diesem Hochtemperaturbereich ablaufen, umfassen etwa das Schmelzen von Glas und/oder Metallen, die Zementherstellung und die Keramikherstellung.
Weiterhin brennt DTBP unter atmosphärischen Normalbedingungen fast zehnmal schneller als ein herkömmlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoff. In Fig. 3 ist ein Vergleich der
Massenabbrandraten für Poolfeuer von DTBP und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch aufgetragen. Wie bereits erwähnt sind die Massenabbrandraten von DTBP fast eine Größenordnung höher als die von Kerosin. Weiterhin variieren die
Massenabbrandraten für DTBP für verschiedene Pooldurchmesser nur geringfügig. Im Gegensatz dazu zeigt Kerosin deutliche Veränderungen der Massenabbrandraten in
Abhängigkeit vom Pooldurchmesser. Da die Massenabbrandrate von DTBP praktisch unabhängig von der Quellengröße ist, erlaubt dies den Einsatz von DTBP als Brennstoff in Brennern verschiedenster Größe. Darüber hinaus wurden bei Messungen kaum Schadstoffemissionen der DTBP-Flamme ermittelt. Dies liegt zum einen an der natürlichen Turbulenz der DTBP-Flammen, die zu einer besseren Vermischung des Brennstoffs und der Umgebungsluft und somit zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Zum anderen stellt DTBP keine aromatischen
Verbindungen bereit, so daß die DTBP-Flamme eine geringere Rußbildung aufweist. Daher wird durch die Verwendung von DTBP als Brennstoff die Schadstoffemission vermindert.
Weitere Peroxy-Brennstoffe, die zur Verwendung mit den Brennern gemäß den
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen tert-Butyl (peroxybenzoat), (Abk.: TBPB), tert-Butyl (peroxy-2-ethylhexanoat), (Abk.: TBPEH), Di- isononanoylperoxid (Abk.: ΓΝΡ) und tert-Butyl (hydroperoxid), (Abk.: TB HP). Alle diese Peroxy-Brennstoffe weisen hinsichtlich ihrer Verwendung in Brennern gemäß den
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ähnliche Eigenschaften auf wie DTBP. In Fig. 4 ist ein Vergleich der Massenabbrandraten für Poolfeuer der oben genannten Peroxy- Brennstoffe und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch
aufgetragen. Es zeigt sich, daß TBPB, TBPEH und INP noch größere natürliche
Massenabbrandraten aufweisen als DTBP. Die organischen Peroxide, die mit Brennern gemäß den Ausführungsbeispielen verwendet werden, können sowohl flüssige als auch feste organische Peroxide umfassen. Insbesondere können fest organische Peroxide dem Brenner in Pulverform zugeführt werden. Entsprechende Fördereinrichtungen, um das Pulver zu dem Brenner zu transportieren, sind dem Fachmann geläufig.
In Anbetracht dieser Erkenntnisse lässt sich daher schließen, daß m = 10 - 15m , so daß aus (2) folgt:
Ap2 = 100 to 225 Ap{ (3)
Mit anderen Worten erfordert die Verbrennung von Kerosin oder Öl mit derselben
Massenabbrandrate wie der natürlichen Abbrandrate eines organischen Peroxids eine über hundertfach größere Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz wird üblicherweise mittels hydraulischer Pumpen bereitgestellt. Dabei ist die elektrische Leistung E für den Antrieb einer solchen Pumpe proportional zur benötigten Druckdifferenz:
E Ap (4) Mithin kann bei der Verbrennung organischer Peroxide eine Einsparung von 100% bis 225% der elektrischen Pumpenleistung erfolgen, wenn dieselbe Druckdifferenz und Massenflußrate mit dem Peroxy-Brenner bereitgestellt wird.
Weiterhin ist die Gesamtwärmefreisetzungsrate Q proportional zur Massenabbrandrate:
Q c mf (5) Aus einem Vergleich der Gleichungen (1 ) und (5) ergibt sich somit
Ap - ß2 (6)
Berücksichtigt man nun Gleichung (3), so erhält man
A/? oc l00 - 225ß 2 (7)
Bei gleicher Druckdifferenz weist also ein Peroxy-Brennstoff die mehr als hundertfache Gesamtwärmefreisetzung im Vergleich zu Kerosin oder Öl auf. Aufgrund dieser
Unterschiede zwischen Kerosin bzw. Öl und den Peroxy-Brennstoffen weisen Brenner, die für die Verwendung mit Peroxy-Brennstoffen angepasst sind, deutliche Unterschiede zu herkömmlichen Brennern auf, die dieselbe Wärmefreisetzungsrate aufweisen.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines Brenners 100 für Peroxy-Brennstoffe gezeigt. Der Brenner 100 umfaßt ein Brennstoffreservoir 102 und eine Brennerdüse 1 12, die über eine Brennstoffleitung 108, 104 mit dem Brennstoffreservoir 102 verbunden ist. Zwischen dem Brennstoffreservoir 102 und der Brennerdüse 1 12 ist eine Brennstofförderpumpe 106 in der Brennstoffleitung 104, 108 angeordnet. Die elektrische Pumpenleistung E der Brennstofförderpumpe 106 ist so angepaßt, daß sie mindestens um den Faktor 0,08 kleiner ist als die elektrische Pumpenleistung einer Brennstofförderpumpe für einen Ölbrenner, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner aufweist. Typischerweise weist der Brenner 100 eine Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1 100 kW bis 3500 kW auf, wobei die elektrische Pumpenleistung des Peroxy-Brennstoffbrenners 100 kleiner als 0,6 kW ist. Ein Ölbrenner mit einer Wärmefreisetzungsrate in demselben Bereich benötigt eine elektrische Pumpenleistung von ungefähr 7,5 kW. Somit kann mit dem speziell für Peroxy- Brennstoffe angepaßten Brenner 100 die elektrischen Pumpenleistungen E dramatisch reduziert werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses deutlich erhöht. Liegt für Ölbrenner die elektrische Pumpenleistung im Prozentbereich der Gesamtleistung, so liegt sie für die speziell angepaßten Peroxy-Brenner fast zwei Größenordnungen darunter. Somit wird die Pumpenleistung für den Wirkungsgrad des Prozesses praktisch bedeutungslos. Weiterhin haben Förderpumpen mit einer geringeren Leistung einen deutlich niedrigeren Marktpreis, sind also günstiger.
Der Peroxy-Brennstoffbrenner 100 weist eine maximale Massenflußrate des Peroxy- Brennstoffs von 70 kg/h auf. Aufgrund der Abbrandeigenschaften der verwendeten Peroxy- Brennstoffe ist diese Massenflußrate ausreichend und liegt somit bis fast zwei Größenordnungen unterhalb der für vergleichbare Ölbrenner erforderlichen Massenflußraten von 98 bis 294 kg/h. Weitherin ist der Durchmesser des Brennerauslasses 112 mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner ist als der Durchmesser des Brennerauslasses des vergleichbaren Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner aufweist. Ölbrenner mit einer Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW weisen typischerweise Durchmesser von 1,5 m auf, während bei dem angepassten Peroxy-Brenner 100 ein Durchmesser zwischen 40 cm und 70 cm ausreicht.
Weiterhin weist der Brenner 100 keine Zuführung für ein extern zugeführtes Oxidationsmittel auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich Öffnungen um den Brennerauslaß 112 herum gezeigt. Diese reichen aus, um durch den natürlichen Ansaugdruck Umgebungsluft 116 anzusaugen. Diese dient dann zur Verbrennung in der Flamme 114. Bei herkömmlichen Industriebrennern, die Öl, Kerosin oder Erdgas verbrennen, müssen üblicherweise Oxidationsmittel unter Druck zugesetzt werden, um eine möglichst vollständige Verbrennung zu garantieren. Abgesehen davon, daß die Oxidationsmittel selbst natürlich einen Kostenfaktor darstellen, erfordert diese Technik zusätzliche Einrichtungen, um das Oxidationsmittel am Verbrennungsort bereitzustellen. Diese aufwendige Technik kann bei dem speziell angepaßten Peroxy-Brennstoffbrenner 100 entfallen, da die Peroxy- Brennstoffe aufgrund ihrer chemischen Struktur dem Verbrennungsprozeß Aktivsauerstoff bereitstellen und es daher einer externen Zufuhr von Oxidationsmitteln nicht bedarf. Die durch die natürliche Ansaugung bereitgestellt Umgebungsluft ist zur vollständigen Verbrennung ausreichend. In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei wird ein pumpenloser Brenner 200 für Peroxy-Brennstoffe bereitgestellt. Der pumpenlose Brenner 200 umfaßt ein Brennstoffreservoir 202 und eine Brennerdüse 212, die über eine Brennstoffleitung 204, 208 mit dem Brennstoffreservoir 202 verbunden ist. Zwischen dem Brennstoffreservoir 202 und der Brennerdüse 212 ist ein Brennstoffsteuerventil 206 in der Brennstoffleitung 204, 208 angeordnet. Das Brennstoffreservoir 202 ist um eine Höhe H oberhalb des Brennerauslasses 212 angeordnet. Der pumpenlose Brenner 200 weist eine Wärmefreisetzungsrate im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW und eine maximale Massenflußrate für den Peroxy-Brennstoff von 70 kg/h auf.
Da der Brenner 200 zur Verwendung von Peroxy-Brennstoffen angepasst ist, tritt aufgrund der im Vergleich zu Öl oder Erdgas deutlich höheren Brennrate bei der Verbrennung der Peroxy-Brennstoffe ein natürliches Ansaugen auf. Der durch die erhöhte Anordnung des Brennstoffreservoirs 202 auftretende Gravitationsdruck ist ausreichend, um den Brennstoff aus dem Reservoir 202 zum Brennerauslaß 212 zu transportieren. Auf diese Weise kann die bei herkömmlichen Ölbrennern vorhandene aufwendige Pumpentechnik entfallen.
Der Durchmesser des Brennerauslasses 212 ist mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner ist als der Durchmesser des Brennerauslasses eines Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner 200 aufweist. Aufgrund der Eigenschaften der Peroxy- Brennstoffe kann der Brennerkopf, und dabei insbesondere der Brennerauslaß 212, kleiner ausgebildet werden als ein Brennerkopf für einen Ölbrenner vergleichbarer Leistung. Dadurch ist der Brenner 200 platzsparend und kann auch in kleineren Brennkammern eingesetzt werden. Weiterhin weist der Brenner 200 keine Zuführung für ein Oxidationsmittel auf. Wie bereits oben erläutert wurde, stellen die Peroxy-Brennstoffe aufgrund ihrer chemischen Struktur dem Verbrennungsprozeß Aktivsauerstoff bereit, so dass auf eine externe Zufuhr von Oxidationsmitteln verzichtet werden kann. Die Zufuhr von Umgebungsluft 216 über die natürliche Ansaugwirkung reicht aus, um - zusammen mit dem im Peroxy-Brennstoff enthaltenen Aktivsauerstoff - der Flamme ausreichend Sauerstoff zur Verfügung zu stellen.
Die oben beschriebenen Peroxy-Brenner können insbesondere in Industrieöfen eingesetzt werden. Ein solcher Industrieofen 300 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Der Industrieofen 300 weist dabei eine Brennkammer 310 auf, die über eine Zuführeinrichtung 314 beschickt werden kann. Über eine Ausgangseinrichtung 318 kann das Beschickungsgut nach dem Brennvorgang wieder aus der Brennkammer 310 entfernt werden. Die Brennkammer verfügt über einen Sekundärluftzugang 312, über den bei Bedarf der Verbrennung Luft, Sauerstoff oder ein anderes Oxidationsmittel zugeführt werden kann. Weiterhin weist die Brennkammer einen Abgasauslaß 316 auf, über den die Verbrennungsgase oder sonstige in der Brennkammer 310 während des Brennvorgangs entstehende Gase aus der Brennkammer 310 ausgelassen werden können.
Weiterhin ist der Brennerauslaß 306 eines Peroxy- Brenners gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Wand der Brennkammer 310 angeordnet. Am Brennerauslaß 306 verbrennt der Peroxy-Brennstoff mit einer Flamme 308 und setzt so eine entsprechende Wärmemenge in der Brennkammer 310 frei. Der
Brennerauslaß ist über eine Brennstoffleitung 304 und ein Ventil 302 mit einem
Brennstoffreservoir 301 für Peroxy-Brennstoffe verbunden. Typischerweise kann die
Zufuhrmenge des Peroxy-Brennstoffes an den Brenner mittels eines Steuerventils oder der Pumpenleistung gesteuert werden. Aufgrund der beschriebenen Vorteile des Peroxy-Brenners kann der Industrieofen bei gleicher Leistung so betrieben werden, daß weniger elektrische Leistung benötigt wird, ein saubererer Verbrennungsprozeß garantiert wird und mit einer kleineren und günstigeren Brennereinheit dieselbe Wärmefreisetzungsrate bereitgestellt werden wie mit einem Öl- oder Kerosinbrenner.
Als Brennstoffe für die hier beschriebenen Peroxy-Brenner werden organische Peroxide, wie beispielsweise ein Dialkylperoxid, verwendet. Dialkylperoxide sind beispielsweise aus der EP 0 472 819 als Ausgangsstoffe für polymere Peroxide bekannt. Solche polymeren Peroxide können beispielsweise verwendet werden zur Härtung von ungesättigten Polyesterharzen, zur Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren, zur Härtung elastomerer Harze, zur Verminderung des Molekulargewichts und zur Modifizierung der
Molekulargewichtsverteilung von Polypropylen/Propylen-Copolymeren, zur Vernetzung von Olefinpolymeren und zur Herstellung von Blockcopolymeren und zur Verträglichmachung von Polymermischungen und -legierungen.
Typische Peroxy-Brennstoffe, die zur Verwendung mit den oben genannten Brennern geeignet sind, umfassen insbesondere Di-tert-butylperoxid (Abk: DTBP), tert-Butyl (peroxybenzoat), (Abk.: TBPB), tert-Butyl (peroxy-2-ethylhexanoat), (Abk.: TBPEH), Di- isononanoylperoxid (Abk.: INP) und tert-Butyl (hydroperoxid), (Abk.: TBHP). Alle diese Peroxy-Brennstoffe weisen hinsichtlich ihrer Verwendung in Brennern gemäß den
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ähnliche Eigenschaften aufweist, wie DTBP.
Weiterhin dienen organische Peroxide, insbesondere DTBP, TBPB, TBPEH, INP und TBHP, in den oben beschriebenen industriellen Hochtemperaturprozessen als starke Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Rußgehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden. Dies senkt überdies die Kosten entsprechender Anlagen, da die externe Zufuhr eines Oxidanten, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, reduziert oder gar weggelassen werden kann, so daß auf betreffende Anbauten an den Anlagen verzichtet werden kann.
Die oben als Brennstoff beschriebenen organischen Peroxide, insbesondere DTBP, TBPB, TBPEH, INP und TBHP, können auch mit anderen Brennstoffen, insbesondere anderen flüssigen Brennstoffen, im Gemisch vorliegen. Insbesondere kann das Dialkylperoxid als Brennstoffzusatz mit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 80 Gew.- vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden. Gemäß einer Weiterbildung können das Dialkylperoxid mit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 20 Gew.- vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden. Der genaue Anteil im Brennstoff hängt von der spezifischen
Verwendung ab, solange eine Verbrennung des Zusatzes sicher erfolgen kann. So kann in einigen Fällen ein geringer Anteil ausreichend sein, um das gewünschte
Verbrennungsverhalten im Gesamtsystem zu initiieren, während in anderen Fällen ein hoher Anteil erforderlich ist. Insbesondere kann der Brennstoff vollständig aus einem organischen Peroxid, insbesondere aus DTBP, TBPB, TBPEH, INP oder TBHP, bestehen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese
Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

Brenner für Peroxy-Brennstoffe, umfassend
ein Brennstoffreservoir (102) und eine Brennerdüse (112), die über eine Brennstoffleitung (104, 108) mit dem Brennstoffreservoir (102) verbunden ist, sowie eine zwischen dem Brennstoffreservoir (102) und der Brennerdüse (112) in der Brennstoffleitung (104, 108) angeordnete Brennstofförderpumpe (106), wobei die elektrische Pumpenleistung (E) der Brennstofförderpumpe (106) so angepaßt ist, daß sie mindestens um den Faktor 0,08 kleiner ist als die elektrische Pumpenleistung einer Brennstofförderpumpe für einen Ölbrenner, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner (100) aufweist.
Brenner nach Anspruch 1, wobei der Brenner (100) eine Wärmefreisetzungsrate (Q) im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW aufweist, und wobei die elektrische Pumpenleistung (E) des Peroxy-Brennstoffbrenners (100) kleiner als 0,6 kW ist.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Peroxy-Brennstoffbrenner (100) eine maximale Massenflußrate für den Peroxy-Brennstoff von 70 kg/h aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Durchmesser des Brennerauslasses mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner ist als der Durchmesser des Brennerauslasses eines Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy-Brennstoffbrenner aufweist.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Brenner (100) keine Zuführung für ein Oxidationsmittel aufweist.
Pumpenloser Brenner (200) für Peroxy-Brennstoffe, umfassend
ein Brennstoffreservoir (202) und eine Brennerdüse (212), die über eine Brennstoffleitung (204, 208) mit dem Brennstoffreservoir (202) verbunden ist, sowie ein zwischen dem Brennstoffreservoir (202) und der Brennerdüse (212) in der Brennstoffleitung (204, 208) angeordnetes Brennstoffsteuerventil (206), wobei das Brennstoffreservoir (202) oberhalb des Brennerauslasses (212) angeordnet ist.
7. Brenner nach Anspruch 6, wobei der Brenner (200) eine Wärmefreisetzungsrate (Q) im Bereich von 1100 kW bis 3500 kW und eine maximale Massenflußrate für den Peroxy-Brennstoff von 70 kg/h aufweist.
8. Brenner nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Durchmesser des Brennerauslasses (212) mindestens um einen Faktor 0,5 kleiner ist als der Durchmesser des Brennerauslasses eines Ölbrenners, der dieselbe Wärmefreisetzungsrate wie der Peroxy- Brennstoffbrenner (200) aufweist.
9. Brenner nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Brenner (200) keine Zuführung für ein Oxidationsmittel aufweist.
Industrieofen (300), umfassend mindestens einen Brenner (100, 200) nach einem vorhergehenden Ansprüche.
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