DE10160325A1

DE10160325A1 - Mit flüssigem Brennstoff betriebener Flachflammenbrenner

Info

Publication number: DE10160325A1
Application number: DE10160325A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bosch
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Das Einschmelzen von Glas und Metallen erfolgt überwiegend in Herd- oder Drehrohröfen, bei denen Brenner zum Einsatz kommen, die mit Gas oder Öl betrieben werden. Insbesondere bei Herdöfen sind dabei Brenner von Vorteil, die eine flache Flamme ausbilden. Ein Flachflammenbrenner, der mit Gas als Brennstoff arbeitet, ist bekannt. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ölbrenner zu schaffen, der eine für Herdöfen geeignete flache Flamme ausbildet. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist radial außenseitig an einer Brennerlanze, bei der um eine zentral angeordnete Brennstoffzuführung für flüssigen Brennstoff koaxial eine Zuführung für primäres Oxidationsmittel angeordnet ist, radial außenseitig zwei Zuführungen für sekundäres Oxidationsmittel vorgesehen, die in einem spitzen Winkel geneigt zur Längsachse der Brennerlanze angeordnet sind. Der Brenner ist vorzugsweise eigenmediumgekühlt und kann mit Luft, Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas als Oxidationsmittel betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner, der zur Ausbildung einer flachen Flamme geeignet ist.
Das Einschmelzen von Glas und Metallen, insbesondere von Aluminium, erfolgt zu einem großen Teil in unterschiedlichen Ausführungen von Herd- oder Drehrohröfen. Hierbei kommen Brenner zum Einsatz, bei denen flüssiger oder gasförmiger Brennstoff unter Zuführung von kalter oder vorgewärmter Luft bzw. Sauerstoff oder einem Gas mit einem Sauerstoffgehalt, der größer als der von Luft ist, verbrannt wird. Um Kühlwasserzuleitungen in Ofennähe zu vermeiden, kommen eigenmediumgekühlte Brenner zum Einsatz.
Im einfachsten Fall besteht ein derartiger Brenner aus einer Brennerlanze mit einer zentralen, in einer Zerstäuberdüse ausmündenden Brennstoffzuführung, an der radial außenseitig eine oder mehrere Luft- bzw. Sauerstoffzuführungen vorgesehen sind. Wesentliche Parameter des Verbrennungsvorgangs, etwa Flammentemperatur, Flammenform, oder Flammenlänge können durch die Variation des Impulsstromverhältnisses von Brennstoff zu Luft (bzw. Sauerstoff) oder durch den Einsatz von Drallgeneratoren beeinflusst werden. Bei Schmelzprozessen, die in Herdöfen stattfinden, ist dabei die Ausbildung einer möglichst flachen Flamme von Vorteil, da diese infolge ihrer im Vergleich zu anderen Flammenformen großen Badbedeckung zu einer sehr effektiven Wärmeübertragung in das Bad hinein führt.

Eine Anordnung zur Ausbildung einer flachen Flamme bei einem Gasbrenner ist aus der US 5 302 112 bekannt geworden. Beim Gegenstand dieser Druckschrift sind zwei Düsen für Brennstoff bzw. Sauerstoff in einem spitzen Winkel zueinander angestellt. Durch die winklig zueinander geführten Impulsströme von Brennstoff bzw. Sauerstoff bildet sich vor den Düsenöffnungen eine flache Flamme aus, die längs einer Ebene senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den beiden Düsen verbreitert ist.

Die vorgenannte Anordnung kann jedoch nicht ohne weiteres auf Brenner übertragen werden, die mit Flüssigbrennstoff, wie Öl, befeuert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen zur Ausbildung einer flachen Flamme geeigneten, mit Flüssigbrennstoff betriebenen Brenner zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere für den Einsatz in Herdöfen geeignet ist.

Gelöst ist diese Aufgabe durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß sind also bei einer Brennerlanze, an deren Brennerspitze eine Zerstäuberdüse zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff sowie wenigstens eine Austrittsöffnung für ein primäres Oxidationsmittel angeordnet ist, radial außenseitig wenigstens zwei Zuleitungskanäle für ein sekundäres Oxidationsmittel vorgesehen. Die Zuleitungskanäle für sekundäres Oxidationsmittel münden dabei jeweils in einem spitzen Winkel zur Längsachse der Brennerlanze aus und dienen dazu, Impulsströme des sekundären Oxidationsmittels in Richtung auf einen gemeinsamen Punkt vor der Brennerspitze der Brennerlanze auszustoßen. Die Erfindung macht also von der Lehre der US 5 302 112 insoweit Gebrauch, als im spitzen Winkel aufeinander zu gerichtete Gasströme dazu eingesetzt werden, um eine flache Flamme zu erzeugen. Als Oxidationsmittel kommen dabei insbesondere Sauerstoff, Luft oder ein sauerstoffreiches Gas in Betracht.

Bevorzugt handelt es sich bei der Brennerlanze um einen eigenmediumgekühlte Brennerlanze. Eigenmediumgekühlte Brenner sind seit langem bekannt und kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn auf eine externe Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung, aus Versorgungs- oder Sicherheitsgründen verzichtet werden muss.

Insbesondere bei eigenmediumgekühlten Brennern ist es von Vorteil, wenn die Zerstäuberdüse zum Schutz vor der Wärmestrahlung der Flamme in einem Block aus feuerfestem Material, etwa Keramik, aufgenommen ist.

Um eine gute Abschirmung der Wärmestrahlung zu erreichen und zugleich die Zerstäubung des Brennstoffes nicht zu behindern, ist dabei die Brennerlanze bevorzugt zurückgesetzt in einer Ausnehmung des Blocks angeordnet, wobei sich die Ausnehmung vor der Brennerspitze - vorzugsweise konisch - aufweitet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennerspitze axial verschiebbar in der Ausnehmung des Blocks aufgenommen ist. Dadurch kann in Abhängigkeit der Brennstoff und/oder Gasströme eine Position der Brennerlanze gewählt werden, bei der eine besonders niedrige Emission von NO_x-Abgasen stattfindet.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist die Austrittsöffnung für primäres Oxidationsmittel als ein sich konzentrisch zur zentralen Zerstäuberdüse angeordneter Ringspalt ausgebildet.

Vorteilhafterweise sind die Zuleitungskanäle für das sekundäre Oxidationsmittel in einem Winkel zwischen 30° und 50°, vorzugsweise etwa 40°, zueinander angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Zerstäuberdüse als Zweistoff-Düse auszubilden, die mit einer Zuleitung für ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium strömungsverbunden ist. Als gasförmiges Medium eignet sich dabei insbesondere Druckluft.

Beim Einsatz von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel wird der erfindungsgemäße Brenner bevorzugt mit einem Impulsstromverhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff betreiben, das im Bereich von 0,5 bis 15 liegt. Das Impulsstromverhältnis von primärem zu sekundärem Sauerstoff wird vorzugsweise zwischen 5 und 15 eingestellt.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
Die einzige Zeichnung (Figur) zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners im Längsschnitt.
Der Brenner 1 umfasst eine Brennerlanze 2, die im Ausführungsbeispiel für die Verbrennung eines flüssigen Brennstoffs, insbesondere Öl, mit Sauerstoff als Oxidationsmittel ausgelegt ist.
In Längserstreckung der Brennerlanze 2 lässt sich ein Düsenabschnitt 3 und ein Versorgungsabschnitt 4 unterscheiden. Der Düsenabschnitt 3 umfasst dabei eine Zerstäuberdüse 5 sowie eine Austrittsdüse 8 für sogenannten primären Sauerstoff und ist einem Brennraum 7 zugewandt, innerhalb dessen sich die Flamme ausbildet.
Der Versorgungsabschnitt 4 umfasst mehrere, im Ausführungsbeispiel zwei, koaxial um eine zentrale Brennstoffzuführung 6 angeordnete Zuleitungen 10, 11. Die Zuleitung 10 dient dem Transport eines Zerstäubungsmediums, etwa Druckluft, die an einem Anschluss 12 zugeführt wird. Durch die Zuleitung 11 gelangt Sauerstoff aus einem hier nicht gezeigten, an einem Anschluss 13 angeschlossenen Tank zum Düsenabschnitt 3. Die Brennerlanze 2 ist im Ausführungsbeispiel eigenmediumgekühlt, d. h. sie weist keine zusätzlichen Installationen für ein Kühlmittel auf.
Die Brennstoffzuführung 6 sowie die Zuleitung 10 für das Zerstäubungsmedium münden in eine Zerstäuberdüse 5 ein. Bei der Zerstäuberdüse 5 handelt es sich um eine Zweistoffdüse, bei der die Zuleitung 10 über Durchführungen 14 mit einem erweiterten Vorderabschnitt 15 der Brennstoffzuführung 6 strömungsverbunden ist. Dem Vorderabschnitt 15 der Brennstoffzuführung 6 ist strömungstechnisch eine Verengung 17 vorgeschaltet, aus der beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Brennstoffstrom mit hoher Geschwindigkeit in den Vorderabschnitt 15 einströmt und dort von dem aus den Durchführungen 14 eingedüsten Strom des Zerstäubermediums zerstäubt wird. An den Vorderabschnitt 15 der Brennstoffzuführung 6 schließt sich eine sich konisch erweiternde Mündungsöffnung, der sogenannte Zerstäuberkegel 16 an, innerhalb dessen sich das Brennstoff- Luftgemisch entspannt und hierdurch eine starke Volumenvergrößerung erfährt.
Radial außenseitig an der Zerstäuberdüse 5 ist die als Ringspalt ausgebildete Sauerstoff-Austrittsdüse 8 angeordnet, die mit der Zuleitung 11 für primären Sauerstoff strömungsverbunden ist. Aus der Austrittsdüse 8 wird Sauerstoff in einem gegenüber dem Brennstoff stark unterstöchiometrischen Verhältnis in den Brennraum 7 zugeführt. Dieser primäre Sauerstoff dient insbesondere der Stabilisierung der sich im Brennraum 7 ausbildenden Flamme.
Um die Brennerlanze 2 vor der Wärmestrahlung aus dem Innern des Brennraumes 7 möglichst wirkungsvoll zu schützen, ist die Brennerlanze 2 im Bereich ihres Düsenabschnitts 3 in einer dem Außenumfang der Brennerlanze 3 angepassten Durchführung 20 eines Keramikblocks 21 eingebaut, der beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht. Die Brennerlanze 2 ist dabei um mindestens eine Länge B gegenüber der dem Brennraum 7 zugewandten Außenoberfläche 23 des Keramikblocks 21 zurückgezogen angeordnet. Die Länge B markiert zugleich die Tiefe einer konischen Erweiterung 22 der Durchführung 20 und bestimmt sich nach den jeweiligen Erfordernissen, insbesondere nach der im Brennraum 7 zu erwartenden Temperatur.
Die Brennerlanze 2 ist axial verschiebbar in der Durchführung 20 aufgenommen. Durch die Verschiebung der Brennerlanze 2 vom Brennraum weg entsteht vor der Zerstäuberdüse 5 bzw. der Sauerstoff-Austrittsdüse 8 ein Mischbereich, der von den Wänden der Durchführung begrenzt ist. Eine innerhalb dieses Mischbereiches einsetzende Verbrennungsreaktion zwischen dem Brennstoff und dem Primärsauerstoff trägt insbesondere zur Verminderung von NO_x-Emissionen bei.
Symmetrisch zur Längsachse 25 der Brennerlanze 2 sind innerhalb des Keramikblocks 21 zwei Zuführungen 26, 27 für sekundären Sauerstoff vorgesehen. Die Zuführungen 26, 27 sind jeweils um einen spitzen Winkel α/2 gegenüber der Längsachse 25 geneigt, wobei die Austrittsöffnungen 28, 29 der Zuführungen an der Außenoberfläche 23 des Keramikblocks 21 jeweils um eine Länge A von der Längsachse 25 beabstandet sind. Die Zuführungen 26, 27 sind über einen Anschluss 31 in hier nicht gezeigter Weise mit einem Sauerstofftank verbunden.
Beim bestimmungsgemäßem Einsatz des Brenners 1 wird flüssiger Brennstoff, etwa Öl, durch die Brennstoffzuführung 6 herangeführt, in der Zerstäuberdüse 5 mittels Druckluft zu feinen Tröpfchen zerstäubt und mit dem aus den Zuführungen 13 bzw. 26 und 27 herangeführten Sauerstoff verbrannt. Der Impulsstrom des Primärsauerstoffs, der der Austrittsdüse 8 entströmt, dient dabei zugleich zur Stabilisierung der im Brennraum 19 befindlichen Flamme. Der aus den Zuführungen 26, 27 strömende sekundäre Sauerstoff - Impulsstrom bewirkt insbesondere eine Verflachung der im Brennraum 7 befindlichen Flamme längs einer Ebene, die sich senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Austrittsöffnungen 28 und 29 erstreckt.
Bevorzugte Werte für den Einsatz des Brenners 1 sind dabei folgende:

- Das Impulsstromverhältnis Sauerstoff zu Brennstoff liegt zwischen 0,5 und 15;
- Das Verhältnis von Primärsauerstoff zu sekundären Sauerstoff liegt zwischen 5 und 15;
- Der Winkel α beträgt zwischen 0° und 90°, bevorzugt sind Werte im Bereich von ungefähr 40°.

Der Brenner 1 stellt einen eigenmediumsgekühlten Brenner für flüssigen Brennstoff, und Sauerstoff dar, der eine flache Flamme ausbildet. Insbesondere beim Einsatz in Herdöfen wird dadurch die Wärmeübertragung im Schmelzprozess gesteigert und der Wirkungsgrad damit erhöht.
Anstelle der eigenmediumgekühlten Brennerlanze 2 kann auch eine gekühlte Brennerlanze eingesetzt werden, wie sie beispielsweise sind in Bau und Funktionsweise im Detail in der EP 0 665 562 A2 beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Auch können Brennerlanzen eingesetzt werden, die anstelle Sauerstoff mit Luft oder einem mit Sauerstoff angereichertem Gas betrieben werden. Bezugszeichenliste 1 Brenner
2 Brennerlanze
3 Düsenabschnitt
4 Versorgungsabschnitt
5 Zerstäuberdüse
6 Brennstoffzuführung
7 Brennraum
8 Austrittsdüse
9 -
10 Zuleitung (für Druckluft)
11 Zuleitung (für Sauerstoff)
12 Anschluss (für Druckluft)
13 Anschluss (für Sauerstoff)
14 Durchführung
15 Vorderabschnitt (der Brennstoffzuführung)
16 Zerstäuberkegel
17 Verengung
18 -
19 -
20 Durchführung
21 Keramikblock
22 konische Erweiterung
23 Außenoberfläche
24 -
25 Längsachse
26 Zuführung (für sekundären Sauerstoff)
27 Zuführung (für sekundären Sauerstoff)
28 Austrittsöffnung
29 Austrittsöffnung
30 -
31 Anschluss

Claims

1. Brenner mit einer Brennerlanze (2), an deren bei bestimmungsgemäßem Gebrauch einer Flamme zugewandten Brennerspitze eine Zerstäuberdüse (5) zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff und wenigstens eine Austrittsöffnung (8) für ein Oxidationsmittel vorgesehen ist, wobei die Zerstäuberdüse (5) mit einer Brennstoffzuleitung (6) und die Austrittsöffnung (8) mit einer koaxial zur Brennstoffzuleitung (6) angeordneten Zuleitung (11) für primäres Oxidationsmittel strömungsverbunden ist, wobei radial außenseitig zur Brennerlanze (2) wenigstens zwei Zuleitungskanäle (26, 27) für sekundäres Oxidationsmittel vorgesehen sind, die jeweils in einem spitzen Winkel zur Längsachse (25) der Brennerlanze (2) ausmünden.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (2) vom eigenmediumgekühltem Typ ist.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (2) in einem Block (21) aus feuerfestem Material, beispielsweise Keramik, aufgenommen ist.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze um eine Länge (B) zurückgesetzt in einer Ausnehmung (22) des Blocks (21) aus feuerfestem Material aufgenommen ist, wobei sich die Ausnehmung (22) vor der Brennerspitze - vorzugsweise konisch - erweitert.

5. Brenner nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerlanze (2) axial verschiebbar in der Ausnehmung (22) des Blocks (21) aufgenommen ist.

6. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (8) für primäres Oxidationsmittel als ein sich konzentrisch zur zentral angeordneten Zerstäuberdüse (5) angeordneter Ringspalt ausgebildet ist.

7. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungskanäle (26, 27) für sekundäres Oxidationsmittel in einem Winkel (α) zwischen 30° und 50°, vorzugsweise etwa 40°, zueinander angeordnet sind.

8. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäuberdüse (5) als Zweistoff-Zerstäuberdüse ausgeführt und mit einer Zuleitung (10) für ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium, etwa Druckluft, strömungsverbunden ist.

9. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird, wobei das Impulsstromverhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff im Bereich von 0,5 bis 15 und/oder das Impulsstromverhältnis von primärem Sauerstoff zu sekundärem Sauerstoff im Bereich zwischen 5 und 15 eingestellt wird.