DE2900578A1 - Brenner mit keramischer luftduese - Google Patents

Description

Ludwigshafen/Rh., den 8.1.1979 P 54-05 I/ber

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Kj

Vertreter;

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Adolf H. Fischer Dipl.-Ing. Wo.f-Dieter Fischer

Kurfürstenstr. 32

6700 Ludwigshafen/Ehein

Anmelder:

Shinagawa Refractories Co., Ltd, No. 2-1, Ohtemachi 2-chome

Chiyoda-ku, Tokyo Japan

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Brenner rait keramischer Luftdüse

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner mit keramischer Luftdüse, wobei es sich um Brenner für hohe Temperaturen handelt und insbesondere um Brenner für flüssigen Brennstoff, wie sie vornehmlich für feuerfeste keramische Brenner verwendet werden, bei denen die Luftdüsen den wichtigsten Teil des Brenners darstellen und die Brennerziegel, die Windkammer und der Brenner-Tragstein als zusätzlich Einrichtung des Brenners aus keramischem Werkstoff gefertigt sind und bei denen die Temperatur der Sekundärluft für die Verbrennung zwischen 350° C und 750° C liegt, wobei der Brenner für einen langen Zeitraum unter hohen Temperaturen von ungefähr 1 650° C als Erhitzungstemperatur für den festen Stoff dauernd verwendet werden kann.

Brenner für hohe Temperaturen führen dadurch oft zu Schwierigkeiten, daß die Endteile oder die Luftdüse und die öldüse, die den Brenner bilden, zu zu hohen Temperaturen erhitzt werden,, so daß sich diese Teile abnutzen oder deformieren, durch die dort auftretende Oxydation, so daß die öldüse verstopft wird«

Um nun einen solchen Brenner über längere Zeit verwenden zu können, ist es notwendig, entsprechende Schutzmaßnahmen zu treffen«, Dazu gehören vor allen Dingea die Verwendung von hitzebeständigem Stahl, einem Wasser kühlungssystem- und einem Luftkühlungssystem«, Man hat zu diesen Hilfen in der Industrie gegriffen, doch er-

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geben sich dabei die nachstehenden Fehler:

Wird feuerfester Stahl verwendet, so wird sich dieser Teil sehr stark abnutzen, weil durch die dort auftretende Oxydation die Lebensdauer sehr verkürzt wird und in allen jenen Fällen, wo die Temperatur in dem feuerfesten Körper höher ist als 1 300 ° C und die Temperatur der Sekundärluft für die Verbrennung höher ist als 350° C muß damit gerechnet werden. Hinzu kommt, daß in einem solchen Fall die Luftdüse und die öldüse in ein Rotglut-Stadium kommen, was dazu führt, daß der in der Feuerung enthaltene Kohlenstoff aufgenommen wird und die Düsen verstopft werden, so daß die Brennerfunktion herabgesetzt wird, bis schließlich der Brenner nicht mehr zu verwenden ist. Bei dieser Sachlage ist es unmöglich, einen Brenner ununterbrochen für eine längere Zeit zu verwenden und es ist viel zusätzliche Arbeit notwendig, um täglich für die Reinigung und die Aufrechterhaltung der Funktion des Brenners zu sorgen.

Was das System der Wasserkühlung anbelangt, so ist davon auszugehen, daß man im allgemeinen stets auf diese Art und Weise die Herabsetzung von hohen Temperaturen, höher als 1 500° G in dem feuerfesten Körper und höher als 450° C in der Verbrennungsluft erreichen will, aber es ist notwendig, dabei dafür zu sorgen, daß keinerlei Leckage des Kühlwassers auftritt. Dies kann' durch Abnutzung der Wasserleitungsrohre erfolgen und es ist dann zur Behebung auch eine Menge Arbeit nötig. Hinzu kommt aber schließlich, daß Kühlwasser ständig zugeführt werden muß, auch dann, wenn man für eine Zeit

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den elektrischen Strom unterbricht, so daß beachtliche Kosten für das Kühlwasser aufgewendet werden müssen und auch hier eine tägliche Überprüfung der Einrichtung notwendig ist. Ein weiterer kritischer Punkt bei der Wasserkühlung liegt darin, daß durch das Kühlwasser große Wärmeverluste auftreten. Es wurde z.B. bei einer Backeinrichtung ungefähr 250 000 Liter Brennstoff pro Jahr verloren gehen, wenn 20 V/asserkühlereinheiten mit einer Kapazität von 100 000 bis 300 000 Kcal/h installiert werden.

Mit Hilfe einer Wasserkühlung kann man sicherlich rasch die auftretenden Probleme bezüglich des Düsenverschlusses durch Oxydation oder Kohlenstoffaufnähme angehen, aber es ist notwendig, die Wasserleitungsrohre zu reparieren und durch neue zu ersetzen, was ständig eine Menge Arbeit für die Instandhaltung und die Überwachung der Leitungen bedingt. Wenn Leckagen bei der Kühlwasserleitung auftreten, so können diese Explosionen in dem feuerfesten Körper verursachen, so daß also die Wasserkühlung auch ein Gefahrenmoment enthält.

Wenn man nun Kühlluft verwendet, so kann diese den Brenner kühlende Luft auch als Verbrennungsluft verwenden» Ein solches System erfordert geringe Kosten, ist leicht einbaubar, gewährleistet aber nicht eine längere Brauchbarkeit» Dort, wo man keramische feuerfeste Stoffe verwendet, ist es möglich, eine große Menge hochtemperierter Luft aus der Kühlzone zu erhalten und im Hinblick darauf ist die Verwendung von Kühlluft nicht als vorteilhaft anzusprechen«,

Wie vorstehend beschrieben können derzeit die bekannten Brenner bei hohen Temperaturen für eine längere Zeit ver-

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wendet werden und haben dabei gewisse Vorteile und gewisse Fehler, wozu eine Menge Nachteile kommen, wie z.B. den notwendigen Aufwand und die Arbeit für die ständige Überwachung und Instandhaltung dieser Brenner.

Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bei verschiedenen derartiger Brenner versucht, bei dein Brenner die üblichen Luftdüsen aus Keramik einzusetzen.

Der Grund warum keramische Luftdüsen in der Praxis keine Verwendung finden liegt darin, daß diese Keramikstoffe gegen thermische Schocks sehr empfindlich sind und daß dann, wenn der Brenner z.B. zum Zwecke der Reinigung demontiert wird und die Öldüse durch eine neue ersetzt wird, die Keramikteile sehr häufig springen und brechen, verursacht durch das schnelle Abkühlen, so daß man also nur mit einer kurzen Lebensdauer rechnen kann.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die sich hier ergebenden zahlreichen Probleme von Brennern für hohe Temperaturen zu lösen und einen Brenner vorzusehen, den man für eine längere Zeit hohen Temperaturen aussetzen kann und bei dem die Wartung leichtgemacht ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wurde nun darin gefunden, daß die Luftdüseneinrichtung, bei der die keramische Luftdüse mit einem metallischen Luftzuleitungsrohr von einer metallischen Einspannung getragen ist, auf einem Brennerziegel montiert ist und eine Windkammer benachbart auf einem Brenner-Tragstein, während im Inneren der Einrichtung mittig eine herausnehmbare öldüse vorgesehen ist.

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Der erfindungsgemäße Brenner hat den Vorteil, daß er dann, wenn es notwendig ist, ausgebaut werden kann und daß dabei keine unerwün seilt en Spannungen auftreten, die zu einer Beschädigung von Teilen des Brenners führen können.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung und dem Anspruch»

Es zeigen, in schematischen Skizzen,

ilgur 1 einen Querschnitt, im Aufriß, durch

einen erfindungsgemäßen Brenner, der auf einem feuerfesten Körper montiert ist
und

Figur 2 einen ebensolchen Teilschnitt, im vergrößerten Maßstab, durch den Brenner selbst.

Auf einem Brennerziegel 1 ist eine Windkammer 2 aufgebaut und für den Brenner 1st eine metallische Einspannung vorgesehen, die konstruktionsmäßig mit dem feuerfesten Körper 20 integriert ist. In die Windkammer 2 führen Iiuftzuführleitungen 19 und 18 durch die Sekundärluft für die Verbrennung zugeführt wird. Verbrennungsluft mit hoher Temperatur (ca. 350° C bis 750° C) gelangt aus dem Zuleitungsteil 19 zu einer Mischluftkammer 21.

An die Mischluftkammer 21 schließt sich eine konische rohrförmige öffnung 22 an, die durch den Brennerziegel 1 mittig hindurchgeht.

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Oberhalb der Windkammer 2 ist ein Brenner-Tragstein 3 vorgesehen und eine Luftdüse 4-, die ausgebaut werden kann. Man kann verhindern, daß sie durch Verkohlung blockiert wird und es ist daher nicht notwendig, sie häufig auszubauen, es sei denn zum Reinigen, so daß sie für eine lange Zeit verwendet werden kann und in dem feuerfesten Körper festlegen kann.

Der Brennerziegel 1, die Windkammer 2, der Brenner-Tragstein 3 und die Luftdüse 4 sind aus keramischen Werkstoffen gefertigt und sie sind die Grundkomponenten des Brenners für hohe Temperaturen nach dem Vorschlag der Erfindung. Eine öldüse 7 ist mittig eingesetzt und die metallische Einspannung 9 des Brenners ist aus hitzebeständigem Stahl gefertigt, während die anderen Metallteile aus üblichen Konstruktionsstählen gefertigt werden.

Die Rolle des Brenner-Tragsteines 3 ergibt sich aus dem Flächenkontakt zwischen der Windkammer 2 und der Luftdüse 4- und den Wärmeeinwirkungen, die über die Luftdüse gehen.

Die Luftdüse 4- ist mittels einer Verbindungsarmatur an die Luftleitung 5 angeschlossen und die Luftleitung ist mit einem Brennerkorper 12 verbunden.-

Die Luftzuleitung 5 ist an der metallischen Einspannung 9 des Brenners mit einer Brennerbefestigungsarmatur 10 festgelegt, während die Luftdüse 4- in ihrer mittigen Position zur öffnung 22 bzw. der Mischkammer und dem Brennerziegel 1 gehaltert ist.

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Zu der öldüse 7 führt eine ölzuleitung 8, wobei eine Ölleitungs-Armatur 15, die in die Luftdüseneinrichtung eingesetzt ist, die aus der Luftzuleitung 5 und der Lüftdüse 4- besteht, die vornehmlich das Luftsystem darstellt für das Versprühen des Öls.

Die Luftdüse 4· und die Öldüse 7 müssen konzentrisch zu einander angeordnet sein, wozu eine Muffe 11 in dem Verbindungsteil der Luftdüse 4- und der Luftzuleitung 5 vorgesehen ist. Die Muffe 11 ist so gestaltet, daß der Zufluß der Primärluft für das Versprühen nicht gestört wird.

Die Ölleitungs-Armatur 15 ist in dem Brennerkörper mit Hilfe von metallischen Befestigungen 13 und 14- festgelegt. Wenn man die Teile des ölsystems reinigen oder austauschen will mit der keramischen Luftdüse, die in dem feuerfesten Körper montiert ist, kann man Teile des ölsystems, also die öldüse 7? die ölzuleitung 8 und die Ölleitungs-Armatur 15 dadurch entfernen, daß man einzig und allein die metallischen Befestigungen abbaut» Für die Primärluft, die zum Versprühen gebraucht wird, ist ein Einlaß 24- vorgesehen und das öl wird durch einen Einlaß 25 zugeführt. Unterhalb der Mischluftkammer bzw. der konischen rohrförmigen öffnung 22 in dem Brennerziegel 1 ist die Heizkammer 23 vorgesehen. Eine Brennerkammer 17 ist mit Hilfe der metallischen Einspannung 9 für den Brenner und der Brenner-Befestigungs» armatur 10 festgelegt. Für den Fall, daß die Heizkammer unter hohem Druck steht, ist in einem Teil der Luftsuleitung 5 eine öffnung vorgesehen und ein Teil der Primärluft für die Verstäubung wird in diese Brennerkammer geleitet, um zu verhindern, daß das Gas mit der hohen Temperatur in die Brennerkammer eintritt, wobei der Druck ausgeglichen wird.

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Der erfindungsgemäße Brenner funktioniert so, daß zuerst öl unter Druck einer Pumpe (die nicht gezeigt ist) zugeleitet wird und dann das Luftgemisch in die Kammer 21 eingespritzt wird und zwar durch das zentrale Loch der öldüse 7 durch die ölzuleitung 8 von dem öleinlaß 25 her. Üblicherweise ist in einem solchen Fall der Öldruck unter

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etwa 0,5 kg/cm .

In zweiter Linie wird die Primärluft für das Versprühen durch den hierfür vorgesehenen Lufteinlaß 24- zugeführt,

unter einem Druck von 0,3 bis 1,2 kg/cm und wird dann ejektormäßig der MLschluftkammer 21 aus der Ringsektion zwischen der öldüse 7 und der Luftdüse 4· durch die Luftzuleitung 5 zugeführt.

Das Brennöl, welches aus der öldüse 7 eingespritzt wird, wird in der MLschluftkammer 21 versprüht und auch in der rohrförmigen konischen öffnung 22 mit der Zweitluft hoher Temperatur für die Verbrennung die unter Druck zugeführt wird.

In dem vorliegenden Fall ist die Temperatur der Heizkammer 23 etwa 1 650° C, die Temperatur der rohrförmigen öffnung 22 in dem Brennerziegel 1 etwa 1.550° C und in der Mischluftkammer 21 etwa 1.400° C.

Im Hinblick auf die erforderliche Bedingung für Brenner mit hohen Temperaturen genügt es, wenn man das Zusetzen der Düse durch Kohlenstoff und den Verschleiß von Düsenteilen verhindern kann.

Die Luftdüse muß einen ausgezeichneten Wärmewiderstand aufweisen und dies ganz besonders in Bezug auf hohe Temperaturen und auf Brucheigenschaften. Schließlich muß die Luftdüse genaue Abmessungen besitzen, weil die

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Ausbildung der Form der Luftdüse die Bildung der Brennerflamme beinflußt« Keramische Materialien, die dieser Forderung entsprechen, sind z.B. Silikonnitride und Zirkonerde.

Nach dem Vorschlag der Erfindung werden alle jene Teile des Brenners, die bei der Verwendung hohe Temperaturen erreichen, mit Ausnahme der öldüse 7, aus keramischem Werkstoff hergestellt und es ergibt sich das Problem, daß die metallische! Teile und die keramischen Teile beschädigt werden oder aufgrund der verschiedenen Wärmespannungen kaputtgehen und das Gute bei diesen ist dabei, daß sie hinreichend zufriedenstellend verwendet werden können.

Es ist nutzlos festzuhalten, daß keramischer Werkstoff hohe Temperaturen ertragen kann, denn eine andere Tatsache ist, daß die Wärmeleitfähigkeit gering ist verglichen mit der von Metallen. Die Wärmeleitfähigkeit der Luftdüse 4, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, liegt etwa bei 2,0 bis 2,4 Kcal/m«h*°0, und im Falle von Metallen liegt sie bei 25 bis 30 Kcal/m'h*°C. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit von keramischen Werkstoffen wird dann, wenn diese Luftdüse 4 hohen Temperaturen von etwa 1 400° C ausgesetzt ist, die von der Mischluftkammer 21 zu der Luftdüse 4 kommen, wird dort der Wärmegehalt im Vergleich mit den metallischen Teilen sehr gering sein.

Es ist bei Versuchen festgestellt worden, daß dann, wenn man die Luftdüse 4 Temperaturen von etwa 1.400° C aussetzt, es möglich war,diese Art Düse _mit einem Minimum

von 5 Liter/h an Brennstoff zu kühlen und die Hitze von 5 bis 10 % Zerstäubungs-Primärluft-Menge der theoretischen Verbrennungsluft-Menge ist und daß man

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dabei nicht Gefahr läuft, eine Kohleadhäsion von dem Brennöl zu diesen Teilen zu bekommen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Luftdüse für den hocherhitzten Brenner aus keramischen Werkstoffen gemacht, wobei die Temperatur der Sekundärluft für die Verbrennung zwischen 350° C und 750° C liegt, so daß man ohne Anwendung einer Wasserkühlung die Lösung gefunden hat, die Störung durch Oxydationsschäden oder der Verstopfung der Öldüse zu vermeiden, so daß der Brenner befähigt ist, sicher über einen langen Zeitraum verwendet zu werden. Es kann daher davon ausgegangen werden, daß der erfindungsgemäße Apparat die Sicherheit bietet und in seiner Einfachheit eine tägliche Säuberung und Überprüfung des Apparates erleichtert worden ist. Dazu kommt, daß die Gefahr vermieden wird, daß die keramischen Teile springen und durch Wärmeschocks zerbrochen werden. Durch alle diese Tatsachen hat der erfindungsgemäße Brenner erstklassige Effekte gegeben und stellt einen großen industriellen Wert dar.

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Claims (1)

1. Pat ent an spruch.

   Brenner mit keramischer Luftdüse, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdüseneinrichtung, bei der die keramische Luftdüse (4) mit einem metallischen Luftzuleitungsrohr (5) von einer metallischen Einspannung getragen ist, auf einem Brennerziegel (l) montiert ist und eine Windkammer (2) benachbart auf einem Brenner-Tragstein (3)? itfährend im Inneren der Einrichtung mittig eine herausnehmbare öldüse (7) vorgesehen ist.

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