WO2012048954A1 - Hochtemperaturbrenner für brennerbetriebsverfahren mit zwei betriebszuständen - Google Patents

Hochtemperaturbrenner für brennerbetriebsverfahren mit zwei betriebszuständen Download PDF

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WO2012048954A1
WO2012048954A1 PCT/EP2011/065439 EP2011065439W WO2012048954A1 WO 2012048954 A1 WO2012048954 A1 WO 2012048954A1 EP 2011065439 W EP2011065439 W EP 2011065439W WO 2012048954 A1 WO2012048954 A1 WO 2012048954A1
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WO
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combustion air
fuel
chamber
air passages
mixing device
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Application number
PCT/EP2011/065439
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lars Schröder
Sabine Von Gersum
Original Assignee
Elster Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • F23D14/24—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other at least one of the fluids being submitted to a swirling motion
    • 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
    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14003—Special features of gas burners with more than one nozzle

Definitions

  • the present patent application relates to a high temperature ⁇ turbrenner, and particularly to a high-temperature burner for use in a burner operating method for the NO x - reduction combustion with a first starting operating state and a second working mode.
  • the high-temperature burner for heating a furnace room operates at a working temperature in a first start-up operation state.
  • a defined switching threshold temperature furnace space, duration of the first operating state, etc.
  • the working operating state umgeschal ⁇ Tet, in which the NO x -reduced combustion takes place.
  • Such a method is for example from the
  • the burner does not work with a combustion chamber, but combustion air and fuel are di ⁇ rectly fed into the furnace chamber, depending on the temperature in the furnace chamber.
  • the burner is switched to a first operating state, in which the fuel is supplied via a first fuel feed before entering the furnace chamber of the combustion air, wherein the resulting mixture is introduced from the side wall of the furnace chamber spaced apart therefrom.
  • the burner is switched to a second operating state by the first fuel supply is closed and a second fuel supply is opened.
  • the second fuel supply opens at a predetermined distance from the combustion air supply and a predetermined distance from the wall of the furnace chamber in this.
  • a method with two operating states mentioned above is also known from EP 0 685 683 B1.
  • the burner is switched to a first operating state. tet.
  • fuel is supplied to a combustion chamber via a first fuel supply, which ends in the vicinity of an outlet opening of an air supply device.
  • the fuel is mixed with the supplied combustion air and the resulting mixture is ignited via an ignition electrode arranged in the chamber, whereupon it burns in the combustion chamber and heats a furnace chamber associated with the combustion chamber.
  • the burner is switched to a second Melzu ⁇ stood by the first fuel feed is CLOSED ⁇ nozzles, and a second fuel supply is opened.
  • the second fuel supply ends approximately at the height of the ⁇ outlet opening of the combustion chamber. In the second operating state, fuel is no longer supplied to the combustion chamber, so that the combustion process in the combustion chamber is substantially completely suppressed.
  • a method for operating a high-temperature burner in which in a chamber, a fuel / combustion air mixture is formed and ignited by means of an ignition device, the combustion of the fuel / combustion air mixture in the chamber for a first Period is maintained, then the Brennstoffzu ⁇ drove for a second period of time is reduced so that the combustion stops and remains exposed, wherein in the second period, the temperature in the chamber below a first target ⁇ temperature drops, and finally, after the temperature in the chamber has dropped below the first setpoint temperature, the fuel supply is increased, so that the combustion of the fuel / combustion air mixture due to the cooled chamber used only when entering the furnace chamber and is maintained.
  • This high-temperature burner comprises a chamber opening into a combustion chamber, leading to the chamber combustion air supply and arranged in the chamber mixing device having a plurality of combustion air passages on at least two circles the mixing device are arranged.
  • the mixer itself completes the combustion air supply to the chamber, i.
  • the combustion air passes through the mixing device into the part of the chamber in which the combustion (start operating state) or the mixing (working operating state) takes place.
  • the center of the above circles on which the combustion air passages are arranged may coincide with or be offset from the axis of the chamber. It is also possible that the center of at least one circle coincides with the chamber axis, but the center of at least one further circle is offset from the chamber axis.
  • At least one combustion air passage is arranged on each circle, this arrangement being carried out (in the case of a cylindrical design of the combustion air passages) in such a way that the center of a given combustion air passage extends the respective circle lies.
  • the arrangement of combustion air passages "on a circle” is to say that the openings of the combustion air passages are arranged on the circle - the circles themselves are not a structural feature of the burner.
  • the combustion air passages extending through the mixing device and preferably are made cylindrical, and from a manufacturing standpoint, it is particularly before Trains t ⁇ that these are designed circular-cylindrical.
  • the high-temperature burner further comprises a fuel supply, which ends in a fuel discharge device downstream of the mixing device, that is, the fuel discharge device is arranged on the furnace chamber side of the mixing device.
  • the fuel outlet device comprises a circular cylindrical jacket and an end face or bottom closing off the fuel outlet device, wherein the jacket has a plurality of fuel passages and at least one fuel passage is assigned to the end face, whereby this fuel passage can be arranged directly in the end face or spaced therefrom (see below) ) can be arranged.
  • the fuel discharge means may be integral with the mixing device, or the Brennstoffaus ⁇ occurs means may be inserted into an opening in the mixing device.
  • the geometry of the fuel passages is ent ⁇ speaking the geometry of the combustion air passes out ⁇ leads, that a cylindrical or circular-cylindrical Ausgestal ⁇ processing is preferred, but also other embodiments are (play conically at ⁇ ) possible.
  • an ignition device is arranged in the chamber.
  • the mixing device itself which is preferably made of a high-temperature resistant material such as ceramic or a corresponding steel alloy, is disc-shaped and is as fully as possible on the chamber wall, that is between the mixing device and the chamber wall remains in the high-temperature burner according to the invention no gap or annulus through which combustion air could enter the chamber.
  • combustion air passages are further arranged on the mixing device or the at least two circles such that an outer annular space of the mixing device is free of combustion air passages.
  • Such an arrangement of the combustion air passages has the consequence that in the vicinity of the chamber ⁇ wall no combustion air enters the chamber itself.
  • the combustion air passages each have a Anstell ⁇ angle ß x > 0 ° to the chamber axis and a radial helix angle x , wherein an angle ß a of the combustion air passages on the outermost circle is smaller than an angle ßi the combustion air passages on the innermost circle, and where the helix angle a is the combustion air passages in the outermost circle is greater than the helix angle of ⁇ on the innermost circle and wherein the helix angle on the outermost circle Zvi ⁇ rule 5 ° and 60 °.
  • the combustion air passages are further arranged or dimensioned such that the amount of combustion air passing through the combustion air passages increases radially outward, that is, the amount of combustion air passing through the combustion air passage (s) on the innermost circle is less than that through the combustion air passage or combustion air passage. the combustion air passages on the outermost circle passing through combustion air amount.
  • the twisting of the combustion air provides stable combustion in the starting operating state of the combustion air-fuel mixture within the chamber, and the decrease in the helix angle from the outermost to the innermost circle ensures that fuel and combustion air inside the chamber are not mixed too much. Furthermore, the twisting is chosen so that in the working operating state, the combustion is not sucked into the chamber, but takes place at a convenient distance from the chamber outlet in the furnace chamber.
  • the transition to the working operating state is performed such that the fuel supply is turned off for a short time, so that the combustion in the chamber stops.
  • the fuel supply again still being na ⁇
  • the ignition turned off and in the chamber was preparing fuel / combustion air mixture due to the non-existing source of ignition (the chamber wall is not hot enough for ignition) not ignite in the chamber, but only when entering the furnace chamber whose temperature has been set accordingly in the start operating state.
  • the inventive burner method thus does not have waited for a second time ⁇ to that in the chamber conditions exist that make ignition of the fuel / combustion air mixture possible.
  • the high-temperature burner according to the invention the end face of Brennstoffaustrittsein- direction is associated with a plurality of fuel passages, which are arranged in the end face itself, and this Kgs ⁇ NEN, if they are cylindrical, be aligned parallel to the chamber axis.
  • fuel passages having an angle of incidence away from the chamber axis between 0 ° and 30 °.
  • the fuel passages are arranged on or in the end face and jacket surface of the Brennstoffaus ⁇ treadle and are distributed such that more than 60% of the gas passages passing through the fuel across the face of outlet ,
  • the fuel exiting through the fuel passages in the face reacts structurally preferably with the combustion air passing through the combustion air passages arranged on the outermost circle, and by the corresponding arrangement or distribution of the fuel passages, the reaction in the vicinity of the axis, ie away from the chamber wall, is promoted.
  • the high-temperature burner itself is exposed during startup and shutdown high temperature fluctuations, which also occur within a short period of time, so that in particular the material of the mixing device and the Brennstoffaustritts adopted and the chamber is exposed to high thermal requirements.
  • the fuel outlet device has been found that it is preferred that the end face is beveled to the lateral surface, since voltages are better dissipated during heating and cooling of the fuel outlet device by this configuration of the fuel outlet device.
  • the combustion air passages are arranged on a plurality of circles on the mixing device, wherein the center of the circles may coincide with the chamber axis or be offset therefrom.
  • the order of combustion air passages are arranged on three circles on the mixing device, wherein the angle of attack from the externa ⁇ ßersten circle increases to the inner circle and the radial swirl ⁇ angle decreases from the outermost circle to the inner circle.
  • combustion air passages are arranged such that more than 75% of the combustion air amount at the outermost circle and less than 25% of the combustion air amount at the innermost circle passes through the mixer, such distribution of the passing air quantity by the size and / or the number of combustion ⁇ air passages can be achieved.
  • Anord ⁇ voltage of combustion air passages on the mixing device he ⁇ keeping a sufficiently stable flame in the start mode and also supported that does not get into this to ⁇ was burning to the chamber wall.
  • the width of the annular space corresponds to 20-40% of the average opening width of the combustion air passages on the outermost circle, wherein the mitt ⁇ lere opening width in a circular cylindrical design of the combustion air passages corresponds to the diameter. It has been found that such a design of the circular space ⁇ an ideal process management both in start mode and in working mode provides leis ⁇ tet.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the high-temperature burner according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the high-temperature burner according to the invention
  • Figures 3a and 3b show a plan view and a view obliquely from above of the mixing device of the first embodiment
  • Figures 4a - 4c show sectional views through the mixing device shown in Figures 3a and 3b;
  • Figure 5 shows a schematic view of a mixing device of another embodiment for illustrating the angle of attack.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the high-temperature burner according to the invention.
  • the burner has a housing 1, into which a fuel line 3a and a combustion air line 2a open.
  • the fuel line 3a passes into a fuel feed 3 in the housing 1, and the combustion air line 2a passes into a combustion air supply 2.
  • To the housing joins in the longitudinal direction of a chamber 4 made of a highly heat-resistant material, in which the fuel supply 3 and the combustion air supply 2 open.
  • the chamber is made of ceramic materials or metal alloys.
  • the chamber 4 opens via an outlet 5 in a furnace chamber 6 or a (not shown) arranged in the furnace chamber 6 jet pipe of an industrial burner.
  • the outlet 5 is formed by a constriction of the chamber 4 in the vicinity of the mouth of the chamber 4 in the furnace chamber 6 and is preferably rotationally symmetrical about the axis of the chamber 4.
  • the cross section of the chamber decreases slightly up to the constriction at the outlet 5.
  • the cross-section of the chamber may also be constant over its entire length up to the constriction.
  • the fuel feed 3 ends in a fuel outlet device 9, which is arranged downstream of the mixing device 10.
  • the fuel outlet device 9 is formed integrally with the mixing device 10, in other abroadsbeispie-
  • the fuel outlet device can be inserted into an opening in the mixing device 10, ie the mixing device and the fuel outlet device are then separate components of the burner.
  • the fuel outlet device 9 comprises a circular-cylindrical jacket and an end face closing off the fuel outlet device , the jacket and the end face having a plurality of fuel passages 9a, 9b.
  • the Verbrennungs KunststoffZu Unit 2 opens in the embodiment shown in the chamber 4, and in the chamber 4 ei ⁇ ne mixing device 10 is arranged, wherein the mixing device 10, the combustion air supply 2 terminates toward the chamber.
  • the mixing device 10 is spaced from the transition combustion air supply / chamber, ie the chamber itself is still upstream of the mixing device as an air supply.
  • the mixing device 10 may also be arranged directly at the end of the combustion air supply 2. It is only important that the mixing device closes the combustion air supply 2 to the actual chamber 4 out.
  • the mixing device 10 itself is disk-shaped and is largely completely on the wall of the chamber 4, ie it is no or only a minor combustion air passage at the outer periphery of the mixing device possible. Completely avoid a certain air passage between the mixing means and the chamber wall, however, does not allow, as a result per ⁇ dutechnischstechnischer requirements of the outside diameter of the mixing device is always minimally less than the internal diameter of the chamber, otherwise the mixing device would not be insertable into the combustion chamber (the ratio of slit width / Diameter mixing device is always less than 0.5%).
  • Figure 2 shows a second embodiment of the OF INVENTION ⁇ to the invention high-temperature burner, this being modified from the first embodiment only exit means in the area of fuel.
  • the Brennstoffaus ⁇ occurs means comprises a parallel-to the chamber axis ⁇ led fuel lance 9c that, at the end of the lance to the combustion fabric passage 9b has. By using the fuel lance, the fuel passage assigned to the end face is thus moved further away from the end face into the chamber, ie the fuel passage is no longer located directly in the end face but is spaced therefrom.
  • the end face of the fuel outlet device is associated with a plurality of fuel passages 9b
  • the end face in this embodiment is therefore associated with only one fuel passage 9b.
  • the mixing device 10 and in particular the arrangement of the combustion air passages on or in the mixing device, will be described below with reference to the figures 3a, 3b, 4a, 4b, 4c and 5, wherein the figures 3a and 3b a
  • the combustion air passages 21, 22, 23 are arranged on three circuits (only shown in FIG. 2 a), b, c, the number and the dimension of the combustion air passages 21, 22, 23 from the innermost circle a over the middle circle b towards the outermost circle c increases.
  • the angle of twist of the combustion air passages decreases from the externa ⁇ ßersten circle c toward the innermost circle A from (oii>a.2> 03), wherein the helix angle c ⁇ 3, the combustion air passages 21 on the innermost circle c is 0 ° (see in particular figures 4a-4c).
  • angles of incidence ⁇ i, ⁇ 2, ⁇ 3 of the Verbrennungs Kunststoff malgän ⁇ ge 21, 22, 23 increases from the outermost circle c on the angle of incidence of the combustion air passages 22 on the middle circle b to the angle of incidence of the combustion air passages 21 on the innermost circle a toward (ßi ⁇ ß2 ⁇ 3) (see insbeson ⁇ particular figure 5), wherein the angle ßi is also on the outermost circle c is greater than 0 ° to a steering to ensure the flame in the start operating state in the interior of the chamber 4.
  • the combustion ⁇ air passages 21, 22, 23 such ⁇ arranged on the mixing device is that the mixing device 10 by passing Burn ⁇ drying air amount increases radially outward, this being achieved in the present case by the fact that on the one hand from inside to outside, more combustion air passages per circuit a, b, c and, on the other hand, from inside to outside, larger combustion air passages per cycle are provided. , In other execution examples ⁇ this can be achieved only on the number of combustion air openings per circle or merely changing the size.
  • the fuel leakage device 9 is embodied in one piece with the mixing device 10 and comprises a circular cylindrical jacket and an end face which closes off the fuel outlet device 9 towards the chamber 4.
  • the end face is chamfered to the casing, and as a result, the part of the fuel outlet device arranged downstream of the surface of the mixing device facing the oven chamber 6 is replaced by a pot-shaped form.
  • a plurality of fuel passages 9a, 9b are arranged, wherein arranged in the shell fuel passages 9a circular cylindrical and paral ⁇ lel led to the surface of the mixing device, and arranged in the end face of the fuel outlet means fuel passages 9b also are circular cylindrical and have an angle of attack away from the chamber (> 0 ° ⁇ 30 °).
  • the mixing device 10 further comprises two circular openings 30, 40, which in the embodiments shown for receiving an ignition device 12 (not shown) and a (also not shown) flame monitoring device are provided.
  • FIGS. 4a-4c illustrate the helix angles of the combustion air passages arranged on the circles a, b, c, where in FIG. 4a a sectional view of FIG. 3a along Bl-Bl, FIG. 4b a sectional view of FIG. 3a along B2-B2 and FIG Sectional view of Figure 3a along B3 - B3 as ⁇ returns.
  • the twist angle of the combustion air passages decreases from the innermost circle a toward the outermost circle c, and the twist angle of the combustion air passage holes on the innermost ring is 0 ° with respect to the chamber axis.
  • Figure 5 is a schematic sectional view through a mixing device 10 of another embodiment in which the combustion air passages are arranged differently on or in the mixing device.
  • the combustion ⁇ air passages are also arranged on three circles, but the combustion air openings of adjacent circles are not offset from each other, but on a straight line from the center of, ie radially.
  • the decrease in the Anstell ⁇ angle ß x from the outermost circle is shown again to the innermost circle where ⁇ at in the illustrated embodiment, the angle beta 3 of the combustion air passages 21 on the innermost circle is greater than the angle ß2 the combustion air passages 22 is on the middle circle, which in turn is greater than the angle of attack ßi the combustion air passages 23 on the strictlys ⁇ th circle.
  • mixing device 10 the latter is integrally formed with the fuel discharge means 9, and both the circumferential surface including the Stirnflä ⁇ surface of the fuel discharge means 9 comprise a plurality of fuel passages 9a, 9b, wherein arranged in the end face of fuel passages 9b, an angle of attack away from the chamber axis. This causes the emerging fuel rather, ie closer to the end face and thus closer to the furnace chamber facing surface of the mixing device 10 come into contact with the combustion air, fuel / combustion air provides for a ho ⁇ mogenere mixing, since the fuel is distributed in a larger volume.

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Abstract

Der erfindungsgemäße Hochtemperaturbrenner umfasst u.a. eine Mischeinrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Verbrennungsluftdurchgängen (21, 22, 23), wobei die Mischeinrichtung scheibenförmig ausgebildet ist und an der Wand einer (Brenn) kammer anliegt. Die Verbrennungsluftdurchgänge (21, 22, 23) sind derart auf der Mischeinrichtung (10) angeordnet, dass ein äußerer Ringraum der Mischeinrichtung frei von Verbrennungsluftdurchgängen ist. Die Verbrennungsluftdurchgänge weisen jeweils einen Anstellwinkel ßx > 0° zur Kammerachse und einen radialen Drallwinkel αy auf, wobei ein Anstellwinkel ßa der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Ring kleiner als ein Anstellwinkel ßi der Verbrennungsluftdurchgängen auf dem innersten Ring ist und wobei der Drallwinkel αa der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Ring größer als der Drallwinkel αi der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem innersten Ring ist. Der Drallwinkel αa der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Ring beträgt zwischen 5 - 60° und die Verbrennungsluftdurchgänge sind derart angeordnet oder bemessen, dass die durch die Verbrennungsluftdurchgänge durchtretende Verbrennungsluftmenge radial nach außen zunimmt.

Description

Hochtemperaturbrenner für Brennerbetriebsver ahren
mit zwei Betriebszuständen
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft einen Hochtempera¬ turbrenner, und insbesondere einen Hochtemperaturbrenner zur Verwendung bei einem Brennerbetriebsverfahren zur NOx- reduzierten Verbrennung mit einem ersten Start-Betriebszustand und einem zweiten Arbeits-Betriebszustand.
Bei dem oben genannten Verfahren arbeitet der Hochtemperaturbrenner zum Aufheizen eines Ofenraums auf eine Betriebs- bzw. Arbeitstemperatur in einem ersten Start-Betriebszustand. Beim Erreichen einer definierten Umschaltschwelle (Temperatur Ofenraum, Dauer des ersten Betriebszustandes etc.) wird in einen zweiten Betriebszustand, den Arbeits-Betriebszustand umgeschal¬ tet, in welchem die NOx-reduzierte Verbrennung stattfindet.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
EP 0 343 746 A2 bekannt. Der Brenner arbeitet nicht mit einer Brennkammer, vielmehr werden Verbrennungsluft und Brennstoff di¬ rekt in den Ofenraum geleitet, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Ofenraum. Zum Aufheizen des kalten Ofenraums wird der Brenner in einen ersten Betriebszustand geschaltet, in welchem der Brennstoff über eine erste BrennstoffZuführung vor Eintritt in den Ofenraum der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei das entstehende Gemisch beabstandet von der Seitenwand des Ofenraums in diesen eingeleitet wird. Bei Überschreiten der Zündtemperatur des Brennstoffes in dem Ofenraum wird der Brenner in einen zweiten Betriebszustand geschaltet, indem die erste BrennstoffZuführung geschlossen wird und eine zweite Brennstoffzuführung geöffnet wird. Die zweite BrennstoffZuführung mündet in einem vorgegebenen Abstand von der VerbrennungsluftZuführung und einem vorgegebenen Abstand von der Wand des Ofenraums in diesem.
Ein oben genanntes Verfahren mit zwei Betriebszuständen ist ferner aus der EP 0 685 683 Bl bekannt. Zum Aufheizen des Ofenraumes wird der Brenner in einen ersten Betriebszustand geschal- tet. In diesem Betriebszustand wird einer Brennkammer über eine erste BrennstoffZuführung, die in der Nähe einer Austrittsöffnung einer Luftzufuhreinrichtung endet, Brennstoff zugeführt. In der Brennkammer wird der Brennstoff mit der zugeführten Verbrennungsluft vermischt und das entstehende Gemisch über eine in der Kammer angeordnete Zündelektrode gezündet, woraufhin es in der Brennkammer verbrennt und einen der Brennkammer zugeordneten Ofenraum aufheizt.
Sobald der Ofenraum über die Zündtemperatur des Brennstoffes aufgeheizt ist, wird der Brenner in einen zweiten Betriebszu¬ stand geschaltet, indem die erste BrennstoffZuführung geschlos¬ sen wird und eine zweite BrennstoffZuführung geöffnet wird. Die zweite BrennstoffZuführung endet etwa auf der Höhe der Aus¬ trittsöffnung der Brennkammer. In dem zweiten Betriebszustand wird der Brennkammer kein Brennstoff mehr zugeführt, so dass der Verbrennungsvorgang in der Brennkammer im Wesentlichen vollständig unterdrückt wird.
Ferner ist aus der EP 06 754 305.8 ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturbrenners bekannt, bei welchem in einer Kammer ein Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch gebildet und mit Hilfe einer Zündeinrichtung gezündet wird, die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in der Kammer für eine erste Zeitspanne aufrechterhalten wird, dann die Brennstoffzu¬ fuhr für eine zweite Zeitspanne derart vermindert wird, dass die Verbrennung abbricht und ausgesetzt bleibt, wobei in der zweiten Zeitspanne die Temperatur in der Kammer unter eine erste Soll¬ temperatur absinkt, und schließlich, nachdem die Temperatur in der Kammer unter die erste Solltemperatur abgesunken ist, die Brennstoffzufuhr erhöht wird, so dass die Verbrennung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches aufgrund der erkalteten Kammer erst bei Eintritt in den Ofenraum einsetzt und aufrechterhalten wird .
Bedingt durch die bei diesem Verfahren verwendete Brenneranordnung ist die Einhaltung der oben genannten zweiten Zeitspanne notwendig, da, bedingt durch den Aufbau des bei dem Verfahren verwendeten Brenners, die Temperatur sowohl in der Kammer als auch der Kammerwandung während des ersten Betriebszustandes über die Zündtemperatur des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches an¬ steigt, und somit bei Nichteinhaltung der zweiten Zeitspanne kein Übergang in den zweiten Betriebszustand, bei dem die Verbrennung ausschließlich in dem Ofenraum stattfinden soll, möglich ist. Das Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch zündet bei Nichteinhaltung der zweiten Zeitspanne in der Kammer, und eine Verbrennung, die nicht ausschließlich in dem Ofenraum stattfindet, ist hinsichtlich der NOx-Reduzierung unerwünscht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochtemperaturbrenner bereitzustellen, mit welchem ein Brennerbetriebsverfahren durchgeführt werden kann, welches einen Start- Betriebszustand und einen NOx-reduzierten Arbeits- Betriebszustand umfasst, welcher jedoch das Aussetzen der Verbrennung für eine zweite Zeitspanne zum Unterschreiten einer Solltemperatur in bzw. einer Kammer überflüssig macht.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hochtemperaturbrenner gemäß Patentanspruch 1. Dieser Hochtemperaturbrenner umfasst eine in einen Ofenraum mündende Kammer, eine zur Kammer führende VerbrennungsluftZuführung sowie eine in der Kammer angeordnete Mischeinrichtung, die eine Mehrzahl von Verbrennungsluftdurchgängen aufweist, die auf zumindest zwei Kreisen auf der Mischeinrichtung angeordnet sind. Die
Mischeinrichtung selber schließt die VerbrennungsluftZuführung hin zu der Kammer ab, d.h. über die Mischeinrichtung gelangt die Verbrennungsluft in den Teil der Kammer, in dem die Verbrennung (Start-Betriebszustand) bzw. die Vermischung (Arbeits- Betriebszustand) stattfindet.
Der Mittelpunkt der oben genannten Kreise, auf denen die Verbrennungsluftdurchgänge angeordnet sind, kann mit der Achse der Kammer zusammenfallen oder von dieser versetzt sein. Es ist auch möglich, dass der Mittelpunkt zumindest eines Kreises mit der Kammerachse zusammenfällt, der Mittelpunkt zumindest eines weiteren Kreises aber von der Kammerachse versetzt ist. Auf je¬ dem Kreis ist zumindest ein Verbrennungsluftdurchgang angeordnet, wobei diese Anordnung (bei kreiszylindrischer Ausgestaltung der Verbrennungsluftdurchgänge) derart durchgeführt ist, dass der Mittelpunkt eines gegebenen Verbrennungsluftdurchganges auf dem jeweiligen Kreis liegt. Im Rahmen dieser Anmeldung soll die Anordnung von Verbrennungsluftdurchgängen „auf einem Kreis" besagen, dass die Öffnungen der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem Kreis angeordnet sind - die Kreise selber sind kein bauliches Merkmal des Brenners.
Aus herstellungstechnischer Sicht ist es bevorzugt, dass ei¬ ne Mehrzahl von Verbrennungsluftdurchgängen auf einem Kreis angeordnet ist, wobei es aufgrund der gleichen Überlegung bevor¬ zugt ist, dass die Mittelpunkte der Kreise mit der Kammerachse zusammenfallen .
Die Verbrennungsluftdurchgänge erstrecken sich durch die Mischeinrichtung und sind vorzugsweise zylindrisch ausgeführt, und aus produktionstechnischer Sicht ist es insbesondere bevor¬ zugt, dass diese kreiszylindrisch ausgeführt sind.
Der Hochtemperaturbrenner umfasst ferner eine BrennstoffZuführung, die in einer Brennstoffaustrittseinrichtung stromab der Mischeinrichtung endet, das heißt die Brennstoffaustrittseinrichtung ist auf der Ofenraumseite der Mischeinrichtung angeordnet. Die Brennstoffaustrittseinrichtung umfasst einen kreiszylindrischen Mantel sowie eine die Brennstoffaustrittseinrichtung abschließende Stirnfläche bzw. Boden, wobei der Mantel eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen aufweist und der Stirnfläche zumindest ein Brennstoffdurchgang zugeordnet ist, wobei dieser Brennstoffdurchgang direkt in der Stirnfläche angeordnet sein kann oder von dieser beabstandet (siehe unten) angeordnet sein kann .
Die Brennstoffaustrittseinrichtung kann einstückig mit der Mischeinrichtung ausgeführt sein, oder die Brennstoffaus¬ trittseinrichtung kann in eine Öffnung in der Mischeinrichtung eingesetzt sein. Die Geometrie der Brennstoffdurchgänge ist ent¬ sprechend der Geometrie der Verbrennungsluftdurchgänge ausge¬ führt, d.h. eine zylindrische bzw. kreiszylindrische Ausgestal¬ tung ist bevorzugt, jedoch sind auch andere Ausführungen (bei¬ spielsweise konisch) möglich.
Zur Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisches wäh¬ rend bzw. in dem Start-Betriebszustand ist in der Kammer eine Zündeinrichtung angeordnet. Die Mischeinrichtung selber, die vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Material wie beispielsweise Keramik oder einer entsprechenden Stahllegierung ausgeführt ist, ist scheibenförmig ausgebildet und liegt möglichst vollumfänglich an der Kammerwandung an, das heißt zwischen der Mischeinrichtung und der Kammerwandung verbleibt bei dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrenner kein Spalt bzw. Ringraum, durch den Verbrennungsluft in die Kammer gelangen könnte.
Die Verbrennungsluftdurchgänge sind ferner derart auf der Mischeinrichtung bzw. den zumindest zwei Kreisen angeordnet, dass ein äußerer Ringraum der Mischeinrichtung frei von Verbren- nungsluftdurchgängen ist. Eine derartige Anordnung der Verbren- nungsluftdurchgänge hat zur Folge, dass in der Nähe der Kammer¬ wandung keine Verbrennungsluft in die Kammer selber gelangt.
Die Verbrennungsluftdurchgänge weisen jeweils einen Anstell¬ winkel ßx > 0° zur Kammerachse und einen radialen Drallwinkel x auf, wobei ein Anstellwinkel ßa der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Kreis kleiner als ein Anstellwinkel ßi der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem innersten Kreis ist, und wo- bei der Drallwinkel a der Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Kreis größer als der Drallwinkel ± auf dem innersten Kreis ist und wobei der Drallwinkel auf dem äußersten Kreis zwi¬ schen 5° und 60° beträgt.
Die Verbrennungsluftdurchgänge sind ferner derart angeordnet oder bemessen, dass die durch die Verbrennungsluftdurchgänge durchtretende Verbrennungsluftmenge radial nach außen zunimmt, das heißt die durch den Verbrennungsluftdurchgang bzw. die Ver- brennungsluftdurchgänge auf dem innersten Kreis durchtretende Verbrennungsluftmenge ist geringer als die durch den Verbren- nungsluftdurchgang bzw. die Verbrennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Kreis durchtretende Verbrennungsluftmenge.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der oben vorgesehenen Maßnahmen hinsichtlich der Ausgestaltung der Mischeinrichtung, das heißt der Anordnung und räumlichen Ausführung der Verbren- nungsluftdurchgänge hinsichtlich des Anstellwinkels, des Drall¬ winkels sowie der durchtretenden Verbrennungsluftmenge, ist si¬ chergestellt, dass der Hochtemperaturbrenner für sowohl den Start-Betriebszustand als auch den Arbeits-Betriebszustand ge¬ eignet ist.
Die Verdrallung der Verbrennungsluft sorgt für eine stabile Verbrennung im Start-Betriebszustand des Verbrennungsluft- Brennstoff-Gemisches innerhalb der Kammer, und die Abnahme des Drallwinkels vom äußersten zum innersten Kreis gewährleistet, dass Brennstoff und Verbrennungsluft im inneren der Kammer nicht zu stark vermischt werden. Ferner ist die Verdrallung so gewählt, dass in dem Arbeits-Betriebszustand die Verbrennung nicht in die Kammer gesaugt wird, sondern in einem günstigen Abstand von dem Kammeraustritt im Ofenraum stattfindet.
Eine zu starke Durchmischung des Brennstoffes sowie der Ver¬ brennungsluft würde die Zündfähigkeit des entsprechenden Gemi¬ sches erhöhen und so dem Arbeits-Betriebszustand, in dem eine Verbrennung lediglich in den Ofenraum gewünscht ist, entgegenwirken. Durch die Ausgestaltung der Verbrennungsluftdurchgänge mit einem vom innersten Kreis zum äußersten Kreis abnehmenden Anstellwinkel, wobei dieser jedoch stets größer als 0° bezogen auf die Kammerachse ist, wird erreicht, dass die Flamme nach in- nen, das heißt zu der Kammerachse und weg von der Kammerwandung, gelenkt wird.
Bildlich gesprochen kann man sich bei Anordnung einer Mehrzahl von Verbrennungsluftdurchgängen auf jedem Kreis vorstellen, dass die Verbrennungsluft beim Durchströmen der Verbrennungs- luftdurchgänge pro Kreis eine Art Kegel erzeugt, wobei der Kegel aufgrund des von außen nach innen größer werdenden Anstellwinkels außen länger und innen kürzer ist.
Indem die die Verbrennungsluftdurchgänge durchtretende Luft¬ menge von innen nach außen zunimmt, Brennstoff aber nur in der Nähe der Kammerachse zugeführt wird, wird erreicht, dass das Brennstoff/Verbrennungsluftgemisch von innen nach außen dünner (hinsichtlich des Brennstoffs) wird und „außen" eine nicht zünd¬ fähiges Gemisch vorliegt.
Die Kombination der oben genannten Maßnahmen hat zur Folge, dass im Start-Betriebszustand die in der Kammer erzeugte Flamme keinen Kontakt zur Kammerwand hat, wodurch sichergestellt ist, dass die Temperatur der Kammerwand während des Start- Betriebszustandes nicht über die Zündtemperatur des Brenn¬ stoff/Verbrennungsluft-Gemisches ansteigt. Aufgrund der Zeitdau¬ er des Start-Betriebszustandes ist eine Erwärmung der Kammerwan¬ dung über die Zündtemperatur durch die Strahlungswärme der Verbrennung ausgeschlossen.
Der Übergang in den Arbeits-Betriebszustand wird derart durchgeführt, dass die Brennstoffzufuhr kurzzeitig abgestellt wird, so dass die Verbrennung in der Kammer stoppt. Sogleich im Anschluss wir die Brennstoffzufuhr wieder angestellt (wobei na¬ türlich die Zündeinrichtung deaktiviert bleibt) und das in der Kammer bereitete Brennstoff/Verbrennungsluftgemisch kann aufgrund der nicht vorhandenen Zündquelle (die Kammerwandung ist zur Zündung nicht heiß genug) nicht in der Kammer zünden, sondern erst bei Eintritt in den Ofenraum, dessen Temperatur in dem Start-Betriebszustand entsprechend eingestellt wurde. Bei dem mit dem erfindungsgemäßen Brenner durchführbaren Verfahren muss also nicht während einer zweiten Zeitspanne darauf gewartet wer¬ den, dass in der Kammer Bedingungen herrschen, die eine Zündung des Brennstoff/Verbrennungsluftgemisch unmöglich machen.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrenners ist der Stirnfläche der Brennstoffaustrittsein- richtung eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen zugeordnet, welche in der Stirnfläche selber angeordnet sind und diese kön¬ nen, sofern sie zylindrisch ausgeführt sind, parallel zur Kammerachse ausgerichtet sein. Um eine bessere Durchmischung des Brennstoffs sowie der Verbrennungsluft in der Nähe der Brenn¬ stoffaustrittseinrichtung zu erreichen, ist es jedoch bevorzugt, dass die in der Stirnfläche der Brennstoffaustrittseinrichtung angeordneten Brennstoffdurchgänge einen Anstellwinkel weg von der Kammerachse zwischen 0° und 30° aufweisen. Bei der Anordnung der Brennstoffdurchgänge in der Brennstoffaustrittseinrichtung ist es ferner bevorzugt, dass die Brennstoffdurchgänge derart auf bzw. in der Stirnfläche und Mantelfläche der Brennstoffaus¬ trittseinrichtung angeordnet sind bzw. verteilt sind, dass mehr als 60% des die Gasdurchgänge durchtretenden Brennstoffs über die Stirnfläche austritt. Der durch die Brennstoffdurchgänge in der Stirnfläche austretende Brennstoff reagiert konstruktionsbe- dingt bevorzugt mit der Verbrennungsluft, die durch die auf dem äußersten Kreis angeordneten Verbrennungsluftdurchgänge aus¬ tritt, und durch die entsprechende Anordnung bzw. Verteilung der Brennstoffdurchgänge wird die Reaktion in der Nähe der Achse, also entfernt von der Kammerwand, gefördert.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das insbesondere für sehr reaktive Brennstoffe (mit beispielsweise einem hohen Wasserstoffanteil ) geeignet ist, umfasst die Brennstoffaus- trittseinrichtung eine zur Kammerachse achsparallele, sich in die Kammer erstreckende Brennstofflanze, die den Brennstoff¬ durchgang am Lanzenende aufweist. Über diese Lanze werden zumin¬ dest 50% des Brennstoffes in die Kammer geleitet. Indem der achsparallele Eintritt des Brennstoffes auf einen Brennstoff¬ durchgang am Ende der Brennstofflanze konzentriert wird, kann auch die Verbrennung in der Nähe der Achse konzentriert werden. Es wird also verstärkt dafür gesorgt, dass die Verbrennung beab¬ standet von der Kammerwand stattfindet und so eine zu starke Er¬ hitzung dieser unterbleibt.
Der Hochtemperaturbrenner selber ist beim Anfahren und Ausschalten hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt, die zudem innerhalb eines kurzen Zeitraumes auftreten, so dass insbesondere das Material der Mischeinrichtung sowie der Brennstoffaus- trittseinrichtung und der Kammer hohen thermischen Anforderungen ausgesetzt ist. Hinsichtlich der Brennstoffaustrittseinrichtung hat sich gezeigt, dass es bevorzugt ist, dass die Stirnfläche zur Mantelfläche abgeschrägt ist, da durch diese Ausgestaltung der Brennstoffaustrittseinrichtung Spannungen beim Erhitzen und Abkühlen der Brennstoffaustrittseinrichtung besser abgeleitet werden .
Die Verbrennungsluftdurchgänge sind auf einer Mehrzahl von Kreisen auf der Mischeinrichtung angeordnet, wobei der Mittelpunkt der Kreise mit der Kammerachse zusammenfallen oder von dieser versetzt sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsordnung sind die Verbrennungsluftdurchgänge auf drei Kreisen auf der Mischeinrichtung angeordnet, wobei der Anstellwinkel vom äu¬ ßersten Kreis zum innersten Kreis zunimmt und der radiale Drall¬ winkel vom äußersten Kreis zum innersten Kreis abnimmt. Eine derartige Anordnung der Verbrennungsluftdurchgänge auf drei Kreisen hat zum einen den Vorteil, dass eine entsprechende
Mischeinrichtung recht einfach zu fertigen ist. Zum anderen gewährleistet eine derartige Anordnung eine sehr gleichmäßige Ver¬ teilung der Verbrennungsluft in der Kammer, was wiederrum eine sehr gleichmäßige Vermischung von Brennstoff und Verbrennungs¬ luft bedingt. Eine solche gleichmäßige Vermischung gewährleistet eine entsprechend gleichmäßige Verbrennung im Startzustand - bei unzureichender Vermischung auftretende „lokale Explosionen", die die Verbrennung zur Kammerwandung drängen können, unterbleiben.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Verbrennungsluftdurchgänge derart angeordnet oder bemessen sind, dass mehr als 75% der Ver- brennungsluftmenge beim äußersten Kreis und weniger als 25% der Verbrennungsluftmenge am innersten Kreis die Mischeinrichtung durchtreten, wobei eine derartige Verteilung der durchtretenden Luftmenge durch die Größe und/oder die Anzahl der Verbrennungs¬ luftdurchgänge erreicht werden kann. Bei einer derartigen Anord¬ nung der Verbrennungsluftdurchgänge auf der Mischeinrichtung er¬ hält man eine hinreichend stabile Flamme im Start- Betriebszustand und ferner wird unterstützt, dass in diesem Zu¬ stand die Verbrennung nicht an die Kammerwand gelangt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Breite des Ringraums 20-40% der mittleren Öffnungsweite der Ver- brennungsluftdurchgänge auf dem äußersten Kreis, wobei die mitt¬ lere Öffnungsweite bei einer kreiszylindrischen Ausführung der Verbrennungsluftdurchgänge dem Durchmesser entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Bemessung des Kreis¬ raums eine ideale Verfahrensführung sowohl im Start- Betriebszustand als auch im Arbeits-Betriebszustand gewährleis¬ tet .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrenners zeigt ; Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrenners zeigt ;
Figuren 3a und 3b eine Draufsicht bzw. eine Ansicht von schräg oben der Mischeinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels zeigen;
Figuren 4a - 4c Schnittansichten durch die in Figuren 3a und 3b gezeigte Mischeinrichtung zeigen; und
Figur 5 eine schematische Ansicht einer Mischeinrichtung eines weiteren Ausführungsbeispiels zur Veranschaulichung der Anstellwinkel zeigt.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Hochtemperaturbrenners. Der Brenner weist ein Gehäuse 1 auf, in welches eine Brennstoffleitung 3a sowie eine Verbrennungsluftleitung 2a münden. Die Brennstoffleitung 3a geht in dem Gehäuse 1 in eine BrennstoffZuführung 3 über, und die Verbrennungsluftleitung 2a geht in eine VerbrennungsluftZuführung 2 über. An das Gehäuse schließt sich in Längsrichtung eine Kammer 4 aus einem hochhitzebeständigen Material an, in welcher die BrennstoffZuführung 3 sowie die VerbrennungsluftZuführung 2 münden. Beispielsweise ist die Kammer aus keramischen Materialien oder Metalllegierungen gefertigt.
Die Kammer 4 mündet über einen Auslass 5 in einem Ofenraum 6 oder einem (nicht gezeigten) in dem Ofenraum 6 angeordneten Strahlrohr eines Industriebrenners. Der Auslass 5 ist durch eine Einschnürung der Kammer 4 in der Nähe der Mündung der Kammer 4 in den Ofenraum 6 gebildet und ist vorzugsweise zu der Achse der Kammer 4 rotationssymmetrisch. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Hochtemperaturbrenners nimmt der Quer¬ schnitt der Kammer bis zu der Einschnürung bei dem Auslass 5 geringfügig ab. Der Querschnitt der Kammer kann jedoch auch über deren gesamte Länge bis hin zu der Einschnürung konstant sein.
Die BrennstoffZuführung 3 endet bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Brennstoffaustrittsein- richtung 9, die stromab der Mischeinrichtung 10 angeordnet ist. Die Brennstoffaustrittseinrichtung 9 ist einstückig mit der Mischeinrichtung 10 ausgebildet, bei anderen Ausführungsbeispie- len kann die Brennstoffaustrittseinrichtung in eine Öffnung in der Mischeinrichtung 10 eingesetzt sein, d.h. die Mischeinrichtung und die Brennstoffaustrittseinrichtung sind dann separate Bauteile des Brenners. Die Brennstoffaustrittseinrichtung 9 um- fasst einen kreiszylindrischen Mantel sowie eine die Brennstoff¬ austrittseinrichtung zur Kammer abschließende Stirnfläche, wobei der Mantel und die Stirnfläche eine Mehrzahl von Brennstoff¬ durchgängen 9a, 9b aufweisen.
Die VerbrennungsluftZuführung 2 mündet bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in die Kammer 4, und in der Kammer 4 ist ei¬ ne Mischeinrichtung 10 angeordnet, wobei die Mischeinrichtung 10 die VerbrennungsluftZuführung 2 zur Kammer hin abschließt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Mischeinrichtung 10 von dem Übergang Verbrennungsluftzuführung/Kammer beabstandet, d.h. die Kammer selber dient stromauf der Mischeinrichtung noch als Luftzuführung . Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Mischeinrichtung 10 aber auch direkt an dem Ende der Verbrennungsluftzuführung 2 angeordnet sein. Wichtig ist lediglich, dass die Mischeinrichtung die Verbrennungsluftzuführung 2 zu der eigentlichen Kammer 4 hin abschließt.
Die Mischeinrichtung 10 selber ist scheibenförmig ausgebildet und liegt weitgehend vollumfänglich an der Wand der Kammer 4 an, d.h. es ist kein bzw. nur ein unbedeutender Verbrennungsluftdurchtritt bei dem Außenumfang der Mischeinrichtung möglich. Völlig vermeiden lässt sich ein gewisser Luftdurchtritt zwischen Mischeinrichtung und Kammerwand jedoch nicht, da aufgrund pro¬ duktionstechnischer Vorgaben der Außendurchmesser der Mischeinrichtung stets minimal geringer als der Innendurchmesser der Kammerwandung ist, da ansonsten die Mischeinrichtung nicht in die Brennkammer einführbar wäre (das Verhältnis von Spaltbreite / Durchmesser Mischeinrichtung ist stets kleiner 0,5%) .
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen Hochtemperaturbrenners, wobei dieses gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich im Bereich der Brennstoff- austrittseinrichtung 9 abgewandelt ist. Die Brennstoffaus¬ trittseinrichtung umfasst eine zur Kammerachse parallel ausge¬ führte Brennstofflanze 9c, die bei ihrem Lanzenende den Brenn- stoffdurchgang 9b aufweist. Durch die Verwendung der Brennstofflanze wird der der Stirnfläche zugeordnete Brennstoffdurchgang also von der Stirnfläche weg weiter in die Kammer verlagert, d.h. der Brennstoffdurchgang befindet sich nicht mehr direkt in der Stirnfläche, sondern ist von dieser beabstandet.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel, bei welchem der Stirnfläche der Brennstoffaustrittseinrichtung eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen 9b zugeordnet ist, ist der Stirnfläche bei diesem Ausführungsbeispiel also lediglich ein Brennstoff- durchgang 9b zugeordnet.
Über die Brennstofflanze 9c werden zumindest 50% des Brenn¬ stoffes in die Kammer 4 geleitet. Indem der achsparallele Ein¬ tritt des Brennstoffes auf einen Brennstoffdurchgang 9b am Ende der Brennstofflanze 9c konzentriert wird, kann auch die Verbren- nung in der Nähe der Achse konzentriert werden. Es wird also verstärkt dafür gesorgt, dass die Verbrennung beabstandet von der Kammerwand stattfindet und so eine zu starke Erhitzung die¬ ser unterbleibt.
Die Mischeinrichtung 10, und insbesondere die Anordnung der Verbrennungsluftdurchgänge auf bzw. in der Mischeinrichtung, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 3a, 3b, 4a, 4b, 4c und 5 beschrieben, wobei die Figuren 3a und 3b eine
Draufsicht bzw. eine Ansicht von schräg oben der Mischeinrich¬ tung des ersten Ausführungsbeispiels zeigen.
Wie den beiden Figuren 3a und 3b zu entnehmen ist, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Verbrennungsluftdurchgänge 21, 22, 23 auf drei (lediglich in Figur 2a dargestellten) Kreisen a, b, c angeordnet, wobei die Anzahl und die Abmessung der Verbrennungsluftdurchgänge 21, 22, 23 vom innersten Kreis a über den mittleren Kreis b hin zu dem äußersten Kreis c zunimmt. Der Drallwinkel der Verbrennungsluftdurchgänge nimmt von dem äu¬ ßersten Kreis c hin zu dem innersten Kreis a ab (oii > a.2 > 03) , wobei der Drallwinkel c<3 der Verbrennungsluftdurchgänge 21 auf dem innersten Kreis c 0° beträgt (siehe insbesondere Figuren 4a - 4c) . Die Anstellwinkel ßi, ß2, ß3 der Verbrennungsluftdurchgän¬ ge 21, 22, 23 nimmt von dem äußersten Kreis c über den Anstellwinkel der Verbrennungsluftdurchgänge 22 auf dem mittleren Kreis b hin zu dem Anstellwinkel der Verbrennungsluftdurchgänge 21 auf dem innersten Kreis a hin zu (ßi < ß2 < 3) (siehe dazu insbeson¬ dere Figur 5) , wobei der Anstellwinkel ßi auch auf dem äußersten Kreis c größer 0° ist, um eine Lenkung der Flamme in dem Start- Betriebszustand in das Innere der Kammer 4 zu gewährleisten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Verbrennungs¬ luftdurchgänge 21, 22, 23 derart auf der Mischeinrichtung ange¬ ordnet, dass die die Mischeinrichtung 10 durchtretende Verbren¬ nungsluftmenge radial nach außen zunimmt, wobei dies im vorlie- genden Fall dadurch erreicht wird, dass zum einen von innen nach außen mehr Verbrennungsluftdurchgänge pro Kreis a, b, c und zum anderen von innen nach außen größere werdende Verbrennungsluft¬ durchgänge pro Kreis vorgesehen sind. Bei anderen Ausführungs¬ beispielen kann dies auch nur über die Anzahl der Verbrennungs- luftöffnungen pro Kreis oder lediglich die Veränderung der Abmessung erreicht werden.
Bei dem in den Figuren 3a, 3b, 4a, 4b, 4c und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Brennstoffaustritteinrichtung 9 einstückig mit der Mischeinrichtung 10 ausgeführt und umfasst einen kreiszylindrischen Mantel sowie eine Stirnfläche, die die Brennstoffaustrittseinrichtung 9 hin zur Kammer 4 abschließt. Die Stirnfläche ist zum Mantel abgeschrägt, und dadurch erhält der stromab der dem Ofenraum 6 zugewandten Fläche der Mischeinrichtung angeordnete Teil der Brennstoffaustrittseinrichtung ei- ne topfförmige Gestalt. In der Mantelfläche und der Stirnfläche der Brennstoffaustrittseinrichtung 9 sind eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen 9a, 9b angeordnet, wobei die in dem Mantel angeordnete Brennstoffdurchgänge 9a kreiszylindrisch und paral¬ lel zur Oberfläche der Mischeinrichtung geführt sind, und die in der Stirnfläche der Brennstoffaustrittseinrichtung angeordneten Brennstoffdurchgänge 9b ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildete sind und einen Anstellwinkel weg von der Kammer aufweisen (> 0° < 30°) .
Die Mischeinrichtung 10 umfasst ferner zwei kreisförmige Öffnungen 30, 40, die bei den gezeigten Ausführungsbeispielen für die Aufnahme einer (nicht gezeigten) Zündeinrichtung 12 und einer (ebenfalls nicht gezeigten) Flammüberwachungseinrichtung vorgesehen sind.
Die Figuren 4a - 4c veranschaulichen die Drallwinkel der auf den Kreisen a, b, c angeordneten Verbrennungsluftdurchgänge, wo¬ bei Figur 4a eine Schnittansicht von Figur 3a entlang Bl - Bl, Figur 4b eine Schnittansicht von Figur 3a entlang B2 - B2 und Figur 4c eine Schnittansicht von Figur 3a entlang B3 - B3 wie¬ dergibt. Wie den Figuren 4a - 4c zu entnehmen ist, nimmt der Drallwinkel der Verbrennungsluftdurchgänge von dem innersten Kreis a hin zum äußersten Kreis c ab, wobei der Drallwinkel der Verbrennungsluftdurchgangsöffnungen auf dem innersten Ring 0° in Bezug auf die Kammerachse beträgt.
Figur 5 ist eine schematische Schnittansicht durch eine Mischeinrichtung 10 eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei welchem die Verbrennungsluftdurchgänge anders auf bzw. in der Mischeinrichtung angeordnet sind. Zwar sind die Verbrennungs¬ luftdurchgänge ebenfalls auf drei Kreisen angeordnet, jedoch sind die Verbrennungsluftöffnungen benachbarter Kreise nicht versetzt zueinander angeordnet, sondern auf einer Geraden von dem Mittelpunkt aus, also radial. Bei dem in Figur 5 dargestell¬ ten Ausführungsbeispiel ist noch einmal die Abnahme des Anstell¬ winkels ßx vom äußersten Kreis zum innersten Kreis gezeigt, wo¬ bei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Anstellwinkel ß3 der Verbrennungsluftdurchgänge 21 auf dem innersten Kreis größer als der Anstellwinkel ß2 der Verbrennungsluftdurchgänge 22 auf dem mittleren Kreis ist, welcher wiederrum größer als der Anstellwinkel ßi der Verbrennungsluftdurchgänge 23 auf dem äußers¬ ten Kreis ist.
Bei der in Figur 5 dargestellten Mischeinrichtung 10 ist diese einstückig mit der Brennstoffaustrittseinrichtung 9 ausgebildet, und die sowohl die Mantelfläche also auch die Stirnflä¬ che der Brennstoffaustrittseinrichtung 9 umfassen eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen 9a, 9b, wobei die in der Stirnfläche angeordneten Brennstoffdurchgänge 9b einen Anstellwinkel weg von der Kammerachse aufweisen. Dies bewirkt, dass der austretende Brennstoff eher, sprich näher an der Stirnfläche und damit näher an der dem Ofenraum zugewandten Oberfläche der Mischeinrichtung 10 mit der Verbrennungsluft in Kontakt kommen, was für eine ho¬ mogenere Durchmischung Brennstoff/Verbrennungsluft sorgt, da sich der Brennstoff in einem größeren Volumen verteilt.
Details der bei dem in den Figuren 3a, 3b und 4a - 4c ge¬ zeigten Ausführungsbeispiel verwendeten Mischeinrichtung 10 sin> in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben:
Innerer Kreis Mittlerer Kreis Äußerer Kreis (a) (b) (c)
Verbrennungsluftdurchgänge 6 10 12
Durchmesser Durchgang / mm 5 7 13
Drallwinkel / ° 0 25 45
Anstellwinkel ß / ° 20 15 10
Kreis / Aussendurchmesser
0,45 0,65 0,82 Mischeinrichtung
Teilkreis / mm 55 80 98

Claims

Patentansprüche
1. Hochtemperaturbrenner zur Verwendung bei einem Brennerbetriebsverfahren zur ΝΟχ-reduzierten Verbrennung mit einem ersten Start-Betriebszustand und einem zweiten Arbeits- Betriebszustand, mit
einer in einen Ofenraum (6) mündenden Kammer (4),
einer zur Kammer führenden VerbrennungsluftZuführung (2), einer in der Kammer angeordneten Mischeinrichtung (10), wobei die Mischeinrichtung (10) eine Mehrzahl von Verbren- nungsluftdurchgängen (21, 22, 23) aufweist, die auf zumindest zwei Kreisen (a, b, c) auf der Mischeinrichtung (10) angeordnet sind,
einer BrennstoffZuführung (3), die in einer Brennstoffaus- trittseinrichtung (9) stromab der Mischeinrichtung (10) endet, wobei die Brennstoffaustrittseinrichtung (9) einen kreiszylindrischen Mantel sowie eine die Brennstoffaustrittseinrichtung (9) zur Kammer abschließenden Stirnfläche aufweist, wobei der Mantel eine Mehrzahl von Brennstoffdurchgängen (9a) aufweist und der Stirnfläche zumindest ein Brennstoffdurchgang (9b) von zugeordnet ist, und
einer in der Kammer (4) angeordneten Zündeinrichtung (12), dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischeinrichtung (10) scheibenförmig ausgebildet ist und an der Kammerwandung anliegt, wobei die Verbrennungs¬ luftdurchgänge (21, 22, 23) derart auf der Mischeinrichtung angeordnet sind, dass ein äußerer Ringraum der Mischeinrichtung (10) frei von Verbrennungsluftdurchgängen ist, und
dass die Verbrennungsluftdurchgänge (21, 22, 23) jeweils einen Anstellwinkel ßx > 0° zur Kammerachse und einen radialen Drallwinkel y aufweisen,
wobei ein Anstellwinkel ßa der Verbrennungsluftdurchgänge (23) auf dem äußersten Ring (c) kleiner als ein Anstellwinkel ßi der Verbrennungsluftdurchgängen (21) auf dem innersten Ring ist (a) , wobei der Drallwinkel a der Verbrennungsluftdurchgänge (23) auf dem äußersten (c) Ring größer als der Drallwinkel ± der Verbrennungsluftdurchgänge (21) auf dem innersten (a) Ring ist und wobei der Drallwinkel a der Verbrennungsluftdurchgänge (23) auf dem äußersten Ring (c) zwischen 5 - 60° beträgt, und wobei die Verbrennungsluftdurchgänge (21, 22, 23) derart angeordnet oder bemessen sind, dass die durch die Verbren- nungsluftdurchgänge (21, 22, 23) durchtretende Verbrennungs¬ luftmenge radial nach außen zunimmt.
2. Hochtemperaturbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wobei der Stirnfläche eine Mehrzahl von Brenn¬ stoffdurchgängen (9b) zugeordnet sind, die einen Anstellwinkel weg von der Kammerachse zwischen 0° und 30° aufweisen.
3. Hochtemperaturbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdurchgänge (9b, 9a) derart in Stirnfläche und Mantelfläche der Brennstoffaus- trittseinrichtung (9) angeordnet sind, dass mehr als 60% des die Brennstoffdurchgänge durchtretenden Brennstoffes über die Stirnfläche austritt.
4. Hochtemperaturbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffaustrittseinrichtung (9) eine zur Kammerachse achsparallele, sich in die Kammer erstreckende Brennstofflanze (9c) mit Brennstoffdurchgang (9b) am Lanzenende aufweist.
5. Hochtemperaturbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der Brenn¬ stoffaustrittseinrichtung (9) zur Mantelfläche abgeschrägt ist .
6. Hochtemperaturbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluftdurchgänge
(21, 22, 23) auf drei Kreisen (a, b, c) auf der Mischeinrichtung (10) angeordnet sind, wobei der Anstellwinkel ßx vom äu- Bersten Kreis (c) zum innersten Kreis (a) zunimmt und der diale Drallwinkel x vom äußersten Kreis (c) zum innersten Kreis (a) abnimmt.
7. Hochtemperaturbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsluftdurchgänge (21, 22, 23) derart angeordnet oder bemessen sind, dass mehr als 75% der Verbrennungsluftmenge beim äußersten Ring (c) und weniger als 25% der Verbrennungsluftmenge am innersten Ring (a) die Mischeinrichtung (10) durchtreten.
8. Hochtemperaturbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Ringraums 20 - 40% der mittleren Öffnungsweite der Verbrennungsdurchgänge (23) auf dem äußersten Ring (c) beträgt .
PCT/EP2011/065439 2010-10-15 2011-09-07 Hochtemperaturbrenner für brennerbetriebsverfahren mit zwei betriebszuständen WO2012048954A1 (de)

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