DE102004047443B3

DE102004047443B3 - Flachflammenbrenner

Info

Publication number: DE102004047443B3
Application number: DE102004047443A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Adler; Heinz-Peter Dr. Gitzinger; Wolfgang Bender
Original assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-29

Abstract

Flachflammenbrenner mit einer Kammer mit einer Brennlufteinlaßöffnung und einer Auslaßöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Wandung der Kammer zumindest über ein Kreisbogensegment gebogen ausgeführt ist und die Brennlufteinlaßöffnung und eine stromaufwärts an die Brennlufteinlaßöffnung angrenzende Brennluftzufuhr im Bereich der gebogenen Wandung derart angeordnet und ausgerichtet ist, daß ein durch die Brennlufteinlaßöffnung eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flachflammenbrenner mit einer Kammer mit einer einzigen Brennlufteinlassöffnung und einer Auslassöffnung, bei dem zumindest ein Teil der Wandung der Kammer zumindest über ein Kreisbogensegment gebogen ausgeführt ist und die Brennlufteinlassöffnung und eine stromaufwärts an die Brennlufteinlassöffnung angrenzende Brennluftzufuhr im Bereich der gebogenen Wandung derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass ein durch die Brennlufteinlassöffnung eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt.

Für das Schmelzen, Wärmen und die Wärmebehandlung von Stahl, NE-Metallen, Glas und Keramik sowie anderen Produkten werden Thermoprozessanlagen eingesetzt. Diese Anlagen weisen einen Ofen auf, der durch Brenner erhitzt wird. Dabei verbrennen die Brenner im Bereich der Ofenwandung Brenngas mit Brennluft sowie mit teilweise angesaugter Ofenatmosphäre.

In vielen Industriezweigen hat sich für die Ofenbefeuerung die Bauform des Flachflammenbrenners durchgesetzt. Ein Flachflammenbrenner weist in der Regel eine zentrische Brenngasführung auf. Die Brennluft wird im so genannten Brennerkopf (Kammer) mit Dralleinbauten in Rotation versetzt. Durch den Drall und die hohe Rotationsgeschwindigkeit bildet sich die Flamme rotationssymmetrisch zum Brenner aus und liegt flach am Brennerstein und der Ofenwand an.

Als interne Abgasrückführung wird zentral Ofenatmosphäre angesaugt. Diese Abgasrückführung führt zu einer Stabilisierung der Flamme und einer Verdünnung des Brenngas-/Brennluft-Gemisches. Weiterhin heizt die Flamme den Brennerstein und die umgebende Ofenwand sehr gleichmäßig auf und kühlt sich damit gleichzeitig selber ab. Diese Mechanismen bewirken einen Abbau von Temperaturspitzen in der Flamme und helfen so, die Bildung von thermischen NO_x zu unterbinden.

Die Wärmeübertragung an das Nutzgut geschieht hauptsächlich durch Festkörperstrahlung von Brennerstein und Ofenwand sowie durch Gasstrahlung der Flamme.

Gattungsgemäße Flachflammenbrenner sind beispielsweise in US 4,220,444 , US 3,748,087 oder US 4,487,573 beschrieben.

Nachteilig an den herkömmlichen Flachflammenbrennern sind die für die Erzeugung des Dralls notwendigen stationären oder angetriebenen Dralleinbauten. Angetriebene Dralleinbauten benötigen für ihren Antrieb Energie. Stationäre Dralleinbauten erzeugen Druckverluste, so dass für das Einbringen der Brennluft höhere Drücke notwendig sind, wodurch ebenfalls Energieverluste erzeugt werden.

Aus DE 28 54 395 A1 , US 3,836,315 , DE 28 39 460 A1 , US 3,942,939 und SU 343 111 sind Flachflammenbrenner bekannt, bei denen die Brennluft durch eine oder mehrere Brennlufteinlassöffnungen einer zylinderförmigen Kammer zugeführt wird. Die Brennlufteinlassöffnung und die stromaufwärts an die Brennlufteinlassöffnung angrenzende Brennluftzufuhr ist in der Art angeordnet und ausgerichtet, dass ein durch die Brennlufteinlassöffnung eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt. Aus diesen Druckschriften ist es ferner bekannt, eine teilweise durch die Kammer geführte Brennerlanze zur Bereitstellung des Brenngases vorzusehen, wobei die Auslassöffnungen für den Austritt des Brenngases aus der Brennerlanze in der Kammer des Flachflammenbrenners, bzw. im Bereich der Auslassöffnung der Kammer des Flachflammenbrenners vorgesehen sind

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen der Auslassöffnungen der Brennerlanze relativ zur Kammer des Flachflammenbrenners ist, dass insbesondere bei den derzeitig und zukünftig vermehrt eingesetzten Flachflammenbrennern mit Brennluftvorwärmung das frühe Vermischen von Brennluft und Brenngas zu hohen thermischen NO_x – Werten führt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flachflammenbrenner vorzuschlagen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Drallerzeugung durch ein tangentiales Einleiten der Brennluft in eine zumindest zum Teil gebogene Kammer zu bewirken. Auf diese Weise kann ein hinreichender Drall erzeugt werden, so dass auf weitere Einbauten zur Drallerzeugung verzichtet werden kann, auch wenn diese erfindungsgemäß zur Unterstützung der durch die tangentiale Einleitung der Brennluft bewirkte Drallerzeugung ergänzend vorgesehen sein können.

Der Verzicht auf Einbauten zur Drallerzeugung vereinfacht die Konstruktion des Flachflammenbrenners. Der Instandhaltungsaufwand ist geringer, wodurch die Nutzzeit des Flachflammenbrenners erhöht wird. Ferner entfällt die bei Einbauten zur Drallerzeugung notwendige Kühlung dieser Brennerkom ponenten. Dadurch kann die sonst durch die Kühlung dieser Brennerkomponenten beeinflusste Regelung der Ofenatmosphäre besser durchgeführt werden. Ferner erlaubt der einbautenfreie Flachflammenbrenner den Einsatz einer regenerativen Wärmerückgewinnung. Ebenso kann der erfindungsgemäße Flachflammenbrenner mit einer hohen Brennluftvorwärmung betrieben werden.

Der erfindungsgemäße Flachflammenbrenner weist eine Kammer mit einer Brennlufteinlassöffnung und einer Auslassöffnung, die mit einer Öffnung des Brennersteins korrespondierend ausgebildet sein kann, auf. In der Regel wird der Flachflammenbrenner mit der Kammer an einen sogenannten Brennerstein angesetzt. Diese Brennersteine sind Steine aus feuerfestem Material, deren Durchgangsöffnung sich von der Außenöffnung, an die die Auslassöffnung der Kammer des Flachflammenbrenners angesetzt wird, zum Ofeninneren hin erweitert. Dabei ist die die sich erweiternde Öffnung begrenzende Wandung des Brennersteins regelmäßig hyperbolisch im Querschnitt; sie kann jedoch in Abhängigkeit der gewünschten Flammenführung einen anderen Übergang von einem kleinen zu einem großen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen konischen Querschnitt. Der Flachflammenbrenner kann an beliebigen Wänden eines Ofens angebracht werden, beispielsweise den Seitenwänden oder der Ofendecke.

Die Kammer wird durch Wandungen begrenzt. Erfindungsgemäß ist zumindestens ein Teil der Wandung, insbesondere die Seitenwandung, der Kammer zumindest über ein Kreisbogensegment gebogen ausgeführt. Insbesondere bevorzugt ist die Kammer bezüglich der Mittelachse zylindrisch oder elliptisch ausgeformt. Die durch die erfindungsgemäße tangentiale Einleitung der Brennerluft bewirkte Drallerzeugung wird jedoch bereits erreicht, wenn Teile der die Brennlufteinlassöffnung umgebenden Wandung gebogen ausgeführt sind, um der dort eingeleiteten Brennerluft ihre Strömungsrichtung (Drallerzeugung) zu geben.

Erfindungsgemäß wird die Brennerluft der Brennlufteinlassöffnung durch eine Brennluftzufuhr zugeführt. Brennlufteinlassöffnung und Brennluftzufuhr sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass der durch die Brennlufteinlassöffnung eintretende Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt.

Der erfindungsgemäße Flachflammenbrenner kann mehrere Brennlufteinlassöffnungen und ihnen zugeordnete Brennluftzufuhren aufweisen. Der in der Kammer erzeugte Brennluftstrom setzt sich dann aus den über die einzelnen Brennlufteinlassöffnungen zugeführten Brennluftströmen zusammen.

Besonders bevorzugt ist die in Richtung der senkrecht auf der Ebene der Auslassöffnung stehenden Mittelachse ausgerichtete Wandung der Kammer (Seitenwandung) bezüglich der Mittelachse symmetrisch ausgebildet, insbesondere bevorzugt im Querschnitt rund oder elliptisch. Hierdurch können für eine homogene Flammenausbildung benötigte homogene Brennluftströmungen erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt der Brennlufteinlassöffnung größer als der kleinste Strömungsquerschnitt der Kammer. Hierdurch werden Druckverluste reduziert. Der Strömungsquerschnitt ist insbesondere der freie Querschnitt, der senkrecht zur Hauptströmungsrichtung liegt und so den Wert der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

Ein besonders großer Drall des Brennluftstroms in der Kammer wird durch eine sich in Richtung der Mittelachse erstreckende, flach ausgebildete Brennlufteinlassöffnung erreicht. Der Querschnitt der Brennlufteinlassöffnung ist vorzugsweise rechteckig oder elliptisch.

Die Brennluftzufuhr kann so ausgebildet sein, dass das Geschwindigkeitsprofil im Einlassquerschnitt weitestgehend homogen ist. Querschnittssprünge sowie große Winkel zur Verjüngung oder Erweiterung werden vorzugsweise vermieden.

Die Brennluftzufuhr kann zur Brennlufteinlassöffnung hin verjüngend ausgebildet sein. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, wodurch der erzeugte Drall erhöht wird.

Insbesondere um der Brennluftströmung in der Kammer eine Richtung auf die Auslassöffnung zu zu geben, kann die Brennluftzufuhr derart ausgebildet sein, dass der durch die Brennlufteinlassöffnung eintretende Brennluftstrom teilweise in Richtung auf die Auslasslöffnung strömend ausgerichtet ist.

Bei Flachflammenbrennern, bei denen das Brenngas durch eine durch die Kammer geführte Brennerlanze strömt, ist es von Vorteil, wenn die Brennlufteinlassöffnung und Brennluftzufuhr derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass der durch die Brennlufteinlassöffnung eintretende Brennluftstrom über die Brennerlanze strömt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die untere Begrenzungskante der Brennlufteinlassöffnung, im Querschnitt betrachtet, oberhalb des äußeren Umfangs der meist achsparallel zur Mittelachse geführten Brennerlanze angeordnet ist.

Insbesondere bevorzugt wird der erfindungsgemäße Flachflammenbrenner mit thermischen Regeneratoren eingesetzt. Die Brennluft kann ser hohe Temperaturen aufweisen. Die regenerative Wärmerückgewinnung kann insbesondere nach der Art des in DE 199 33 513 C1 beschriebenen Regenerators ausgebildet sein. Auf DE 199 33 513 C1 wird für die Ausgestaltung eines vorzugsweise vorzusehenden Regenerators ausdrücklich Bezug genommen und diese als Offenbarung des erfindungsgemäß einzusetzenden Regenerators angesehen.

"Brennluft" ist nicht auf Luft beschränkt, sondern umfasst jeglichen Oxidator (Sauerstofflieferant), der zur Oxidation (Verbrennung) von Brenngas eingesetzt wird. Da in derartigen Öfen die Brenngaszufuhr und die Brennluftzufuhr vertauscht werden können, beispielsweise beim Einsatz von Schwachgas, bei dem ein deutlich höherer Volumenanteil an Brenngas im Verhältnis zur Brennluft eingebracht wird, sind die Begriffe Brennluft und Brenngas auch mit vertauschter Bedeutung zu verstehen, so dass die Erfindung auch solche Flachflammenbrenner umfasst, bei denen nicht die eigentliche Brennluft durch eine Brennlufteinlassöffnung tangential zu der Biegung der Wandung eintritt, sondern eigentlich das Brenngas, das dann (zur Begriffswahrung innerhalb dieses Textes und der Ansprüche) als "Brennluft" bezeichnet wird, während der eigentliche Oxidator auf anderem Wege, beispielsweise über eine Brennerlanze eingebracht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
1 den Grundaufbau eines Flachflammenbrenners in seiner Einbaulage in einer Industrieofenanlage in einem schematischen Querschnitt;
2 den erfindungsgemäßen Flachflammenbrenner in einem Querschnitt senkrecht zur Mittelachse und
3 den erfindungsgemäßen Flachflammenbrenner in einer geschnittenen Draufsicht.
Der in 1 dargestellte Flachflammenbrenner 1 weist eine Kammer 2 mit einer Brennlufteinlassöffung 3 und einer stromaufwärts an die Brennlufteinlassöffnung 3 angrenzenden Brennluftzufuhr 4 auf. Eine Auslassöffnung 5 des Flachflammenbrenners 1 ist mit einer Öffnung eines Brennersteins 6 der Ofenwandung 10 korrespondierend ausgebildet. Eine Brennerlanze 7 wird entlang der Mittelachse der Kammer 2 durch die Kammer geführt. Am Ende der Brennerlanze 7 sind Auslassöffnungen 8 für den Austritt des Brenngases vorgesehen. Die Wandung der Durchtrittsöffnung durch den Brennerstein 6 weist eine sich zum Ofeninneren 9 hin hyperbolisch aufweitende Wandung auf.
Zum Erhitzen des Ofens wird Brennluft über die Brennluftzufuhr 4 in die Kammer 2 eingebracht und dort verdrallt. Die im Drall strömende Brennluft tritt über die Auslassöffnung 5 in den Durchtritt des Brennersteins 6 ein. Hier wird sie mit Ofenatmosphäre, die durch die Strömungsverhältnisse in Richtung des Pfeils B angesaugt wird, vermischt. Je nach Anordnung der Spitze der Brennerlanze 7 wird in der Durchtrittsöffnung durch den Brennerstein 6 das Brenngas zunächst mit der angesaugten Ofenatmosphäre vermischt und dieses Gemisch dann mit der im Drall strömenden Brennluft vermischt. Es werden jedoch auch Anordnungen eingesetzt, bei denen das Brenngas unmittelbar mit der im Drall strömenden Brennluft vermischt wird. Durch einen im Bereich der sich konisch erweiternden Wandung der Durchtrittsöffnung durch den Brennerstein 6 angeordneten Zündvorrichtung wird das Gemisch aus Brennluft und Brenngas bzw. Brennluft, Brenngas und angesaugter Ofenatmosphäre gezündet. Aufgrund der durch die Drallströmung der Brennluft vorgegebenen Strömungsverhältnisse strömt die Flamme in Richtung der Pfeile C entlang der Ofenwandung 10. Auf diese Weise heizt die Flamme den Brennerstein und die umgebende Ofenwand gleichmäßig auf. Die Wärmeübertragung an das in dem Ofen angeordnete Nutzgut geschieht überwiegend durch Festkörperstrahlung vom Brennerstein und von der Ofenwand sowie durch Gasstrahlung der Flamme.
Wie in 2 ersichtlich, ist die Kammer 2 des erfindungsgemäßen Flachflammenbrenners 1 um eine Mittelachse A symmetrisch und kreisförmig ausgebildet. Die Brennlufteinlassöffnung 3 und die an die Brennlufteinlassöffnung stromaufwärts angrenzende Brennluftzufuhr 4 sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass ein durch die Brennlufteinlassöffnung 3 eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung der Kammer 2 eintritt. Die Brennluftzufuhr 4 ist dabei zur Brennlufteinlassöffnung 4 hin verjüngend ausgebildet. Die Winkel α, α2, β, β2 der Wandungen der Brennluftzufuhr 4 zu einer gedachten Hauptströmungsrichtung können unterschiedlich ausgebildet und an die Einbaubedingungen sowie eine gewünschte Strömungsführung angepasst sein. Insbesondere bevorzugt ist der Winkel β der Darstellung in 3 größer als der Winkel β2, so dass der Brennluftstrom teilweise in Richtung auf die Auslassöffnung 5 hin strömend ausgerichtet ist.
Die Brennlufteinlassöffnung 3 ist derart ausgebildet, dass ihre untere Begrenzungskante 11 auf gleicher Höhe oder oberhalb des Außenumfangs 12 der Brennerlanze 7 angeordnet ist. So strömt der durch die Brennlufteinlassöffnung eintretende Brennluftstrom über die durch die Kammer geführte Brennlanze.

Claims

Flachflammenbrenner mit einer Kammer (2) mit einer einzigen Brennlufteinlassöffnung (3) und einer Auslassöffnung (5), bei dem zumindest ein Teil der Wandung der Kammer zumindest über ein Kreisbogensegment gebogen ausgeführt ist und die Brennlufteinlassöffnung (3) und eine stromaufwärts an die Brennlufteinlassöffnung (3) angrenzende Brennluftzufuhr (4) im Bereich der gebogenen Wandung derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass ein durch die Brennlufteinlassöffnung (3) eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Kammer (2) geführte und über die Auslassöffnung (5) der Kammer (2) hinausführende Brennerlanze Auslassöffnungen (8) für den Austritt des Brenngases aufweist, die in dem Bereich der Brennerlanze (7) angeordnet sind, der außerhalb der Kammer (2) angeordnet ist.
Flachflammenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (5) der Kammer (2) in eine Durchtrittsöffnung eines Brennsteins (6) übergeht, die sich von der Auslassöffnung (5) fort zum Ofeninneren hin hyperbolisch aufweitet und die Auslassöffnungen (8) der Brennerlanze (7) im Bereich der hyperbolischen Aufweitung der Durchtrittsöffnung des Brennsteins (6) angeordnet sind.
Flachflammenbrenner mit einer Kammer (2) mit einer Brennlufteinlassöffnung (3) und einer Auslassöffnung (5), bei dem zumindest ein Teil der Wandung der Kammer (2) zumindest über ein Kreisbogensegment gebogen ausgeführt ist und die Brennlufteinlassöffnung (3) und eine stromaufwärts an die Brennlufteinlassöffnung (3) angrenzende Brennluftzufuhr (4) im Bereich der gebogenen Wandung derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass ein durch die Brennlufteinlassöffnung (3) eintretender Brennluftstrom tangential zu der Biegung der Wandung eintritt, wobei die Brennluftzufuhr (4) sich zur Brennlufteinlassöffnung hin verjüngend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftzufuhr (4) trichterförmig ausgebildet ist und die vier Wandungen der Brennluftzufuhr im Winkel von Alpha, Alpha2, Beta, Beta2 zur Hauptströmungsrichtung der Brennluft angeordnet sind.
Flachflammenbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel Alpha, Alpha2, Beta, Beta2 unterschiedlich sind.
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung der senkrecht auf die Ebene der Auslassöffnung (5) stehenden Mittelachse ausgerichtete, gebogene Wandung der Kammer (2) bezüglich der Mittelachse symmetrisch ausgebildet ist.
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Brennlufteinlassöffnung (3) größer ist als der kleinste Strömungsquerschnitt der Kammer (2).
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennlufteinlassöffnung (3) sich in Richtung der Mittelachse erstreckend flach ausgebildet ist.
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftzufuhr (4) sich zur Brennlufteinlassöffnung (3) hin verjüngend ausgebildet ist.
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennluftzufuhr (4) derart ausgebildet ist, dass der durch die Brennlufteinlassöffnung (3) eintretende Brennluftstrom teilweise in Richtung auf die Auslassöffnung (5) strömend ausgerichtet ist.
Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennlufteinlassöffnung (3) und die Brennluftzufuhr (4) derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass der durch die Brennlufteinlassöffnung (3) eintretende Brennluftstrom über eine durch die Kammer (2) geführte Brennerlanze (7) strömt.
Flachflammenbrenner mit einer regenerativen Wärmerückgewinnung und einem Flachflammenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10.