DE4014693A1 - Vorrichtung und verfahren zur versorgung eines brenners mit brenngas und sauerstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zuführung eines gasförmig über eine mit einem Schaltglied versehene Leitung zuströmenden Brennstoffes und eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Luft, in den Brennraum eines Tunnelofens der keramischen Industrie.

In der Feuerungstechnik haben sich in bestimmten Bereichen, in denen eine linerar Stellkennlinie der Brenner und/oder eine hohe Turbulenz im Brennraum erforderlich ist, Impuls­ feuerungen durchgesetzt. Dies gilt besonders für Tunnel­ öfen der keramischen Industrie, in denen die Betriebs­ temperatur des Brennraumes regelmäßig über der Zündtem­ peratur liegt und somit keine Zünd- und Uberwachungs­ einrichtungen erforderlich sind. Hier hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mit kurzen Impulsen in der Größen­ ordnung von Millisekunden bis zu wenigen Sekunden den Ofen zu befeuern.

Im Zuge der energetischen Optimierung der Tunnelöfen nimmt jedoch der freie Sauerstoff im Brennraum ab, so daß einerseits die bisher übliche impulsweise Zugabe von Brennstoff ohne Luft oder mit ungesteuerten Luftmengen den Anforderungen nicht mehr gerecht wird und anderseits die durch die Injektorwirkung des Brenngases erreichbare Mischung mit der Ofenatmosphäre nicht groß genug ist.

Zwar können kleinere Gasmengen mit hoher Schalthäufigkeit mittels bekannter Stellglieder zugeteilt werden, die erforderliche Lufmenge kann aber je nach Betriebssituation bis zum Faktor 20 höher liegen; und für derartige Mengen­ ströme sind allerdings keine Stellglieder vorhanden, die die erforderliche hohe Schaltgeschwindigkeit und auch die notwendige Verschleißfestigkeit aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zuführung eines gasförmig über eine mit einem Schaltglied versehene Leitung zuströmenden Brennstoffes und eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Luft, in den Brennraum eines Tunnelofens der keramischen Industrie zu schaffen, mittels denen es auf sehr einfache Weise möglich ist, den Volumensstrom des Sauerstoffträgers entsprechend den jeweiligen Erfordernissen zu regeln und somit die Leistung des Brenners individuell einzustellen. Außerdem soll die in dem Druck des zugeführten gasförmigen Brennstoffes enthaltene mechanische Energie möglichst ohne Verluste in Geschwindigkeit der Brenngase und damit in Turbulenz im Brennraum umgewandelt werden, um somit eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Der dazu erforderliche Bauaufwand soll gering gehalten werden, dennoch soll eine zuverlässige Regelung des Brennstoff­ gemisches leicht zu bewerkstelligen sein.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung, mittels der dies möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur gesteu­ erten Einbringung des Sauerstoffträgers einem dem Brennraum zugeordneten Brenner ein fluidisches Verstärkerelement vorgeschaltet ist, an das eine mit einem Schaltglied versehene Treibgas führende Leitung angeschlossen ist.

Zweckmäßig ist es hierbei des weiteren, den Brenner als fluidisches Verstärkerelement auszubilden, das an den Brennraum des Tunnelofens anzuschließen ist, oder dem Brenner ein fluidisches Verstärkerelement nachzuschalten, das über eine Leitung an die Treibgasleitung des vorge­ schalteten fluidischen Verstärkerelementes oder an eine mit einem Schaltglied versehene Treibgasleitung ange­ schlossen ist.

Die fluidischen Verstärkerelemente können als Coanda- oder Venturi-Treibgasdüsen ausgebildet sein, und die in die Treibgasleitungen oder fluidischen Verstärkerelemente eingesetzten Schaltglieder können jeweils durch ein impuls­ weise ansteuerbares elektromagnetisches Schaltventil ge­ bildet werden.

Des weiteren ist es angebracht, den durchströmbaren Aus­ trittsquerschnitt der den gasförmigen Brennstoff führenden Leitung beispielsweise mittels eines axial verstellbar angeordneten, in eine Ausnehmung einer die Leitung auf­ nehmenden Ummantelung eingreifenden Kegels einstellbar auszugestalten.

Um die Länge der Flamme des Brenners mit Hilfe des Treib­ gasstrahles einstellen zu können, kann der Strahl des Brenngases durch den Strahl des Treibgases abgelenkt werden, wobei je nach Anordnung mit steigendem Druck des Treibgases eine kürzere oder eine längere Brennerflamme erzeugbar ist.

Das Verfahren zur Zuführung eines gasförmig über eine mit einem Schaltglied versehene Leitung zuströmenden Brenn­ stoffes und eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Luft, in den Brennraum eines Tunnelofens der keramischen Industrie, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Sauerstoff­ trägers zu einem dem Brennraum zugeordneten Brenner über ein diesem vorgeschaltetes fluidisches vorzugsweise als Coanda- oder Venturi-Treibgasdüse ausgebildetes Verstärker­ element vorgenommen wird und daß zur gesteuerten Einbring­ ung des Sauerstoffträgers in den Brenner dem Verstärkerele­ ment über eine mit einem Schaltglied versehene Leitung im­ pulsweise Treibgas zugeführt wird.

Des weiteren können auch über einen als fluidisches Ver­ stärkerelement ausgebildeten Brenner Gase aus dem Brennraum des Tunnelofens dem Brennstoff/Luftgemisch beigemischt werden oder es kann über ein dem Brenner nachgeschaltetes fluidisches Verstärkerelement Treibgas dem Brennstoff/ Luftgemisch zugeführt werden.

Das Mischungsverhältnis zwischen dem gasförmigen Brennstoff und dem Sauerstoffträger kann hierbei durch Verändern des Druckes des zugeführten Treibgases und/oder des freien durchströmbaren Austrittsquerschnittes des Verstärkerele­ mentes eingestellt werden, auch können die in den Leitungen des gasförmigen Brennstoffes und des Treibgases eingesetz­ ten Schaltglieder zeitversetzt und/oder mit unterschied­ licher einstellbarer Schaltdauer angesteuert werden.

Die Länge der Flamme des Brenners kann mit Hilfe des Druckes des Brenngases oder des Treibgases eingestellt werden, wobei die Längeneinstellung in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung in dem Brennraum vorzugsweise mit Hilfe einer Temperatur-Differenzmessung erfolgen kann und die Einstellung der Flammenlänge durch Verändern des Druckes des Treibgases in der Weise vorgenommen wird, daß der Brenngasstrahl durch einen Treibgasstrahl abgelenkt wird.

Mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ohne Schwie­ rigkeiten möglich, die einem Brenner zuzuführende Menge des Sauerstoffträgers, auch bei dessen impulsweiser Einbringung, exakt zu steuern, so daß das Mischungsver­ hältnis zwischen diesem und dem Brennstoff zuverlässig einzuhalten ist. Wird nämlich der Sauerstoffträger über ein fluidisches Verstärkerelement dem Brenner zugeführt, das mit Hilfe eines Treibgases aktiviert wird, so ist über eine Mengenregelung des Treibgases ohne weiteres auch der Volumensstrom des Sauerstoffträgers zu regeln. Und die Mengenregelung des Treibgasstromes kann ohne Schwierigkeiten mit Hilfe von Schaltgliedern in Form von elektromagnetischen Schaltventilen bewerkstelligt werden.

Da der Strom des Brenngases bei geöffnetem Schaltventil und konstantem Vordruck während eines Impulses konstant bleibt, kann ferner das Mischungsverhältnis auf einfache Weise über den Druck des Treibgases, das vorzugsweise ebenfalls aus Luft besteht, oder über die Spaltbreite der Coanda- oder Venturidüsen reproduzierbar eingestellt werden. Zweckmäßigerweise wird die Spaltbreite zur indi­ viduellen Einstellung des einzelnen Brenners verwendet, der Treibgasdruck dagegen zur Gemischeinstellung einer Regelzone, die aus mehreren Brennern bestehen kann.

Unterschiedliche Laufzeiten der Brenngas- und Luftzu­ führung können leicht durch zeitlichen Versatz der Steuer­ impulse kompensiert werden. Ebenso läßt sich eine unter­ schiedliche Einschaltdauer von Luft und Brenngas zur Gemischeinstellung nutzen. Dies ist insbesondere für die Erzeugung von Reduktionsatmosphären anwendbar, in dem mit Hilfe eines Steuergerätes an eine stöchiometrische Brennphase eine einstellbare Phase angehängt wird, in der nur Gas fließt. Analog kann für oxidierenden Betrieb an die stöchiometrische Brennphase auch eine Luftphase angeschlossen werden. Es sind demnach mehrere Möglich­ keiten der Atmosphäreneinstellung gegeben.

Wird der Brenner als fluidisches Verstärkerelement aus­ gebildet oder wird diesem ein derartiges Element nachge­ schaltet, so kann die im Gasdruck enthaltene mechanische Energie nahezu ohne Verluste in Geschwindigkeit der Brenngase und damit in Turbulenz im Brennraum umgesetzt werden, und es kann eine möglichst große Menge von freiem Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre in den Verbrennungsvor­ gang mit einbezogen werden. Dadurch wird die intensive Vermischung des Brennstoffes mit der Verbrennungsluft weiter gesteigert.

Des weiteren kann über die Austrittsgeschwindigkeit die Reichweite des Gemisches aus Treibgas und angesaugter Frischluft bzw. Ofenatmosphäre beeinflußt werden. Dies gilt sowohl für fluidische Verstärkerelemente, die ledig­ lich einen Freistrahl erzeugen, als auch für Venturi- und Coandadüsen. Somit können beide Gase zur Einstellung der Feuerverteilung herangezogen werden. Dies kann bei Messung von mindestens zwei Temperaturen in Richtung der Strahlachse durch automatische Veränderung des Brenn- oder Treibgasdruckes erfolgen. Somit paßt das Verfahren für einen einzelnen Brenner oder eine Brennergruppe automatisch die Reichweite des Brenners an wechselnde Betriebsverhältnisse an.

Da eine Veränderung des Brenngasdrucks die kalorische Leistung des Brenners beeinflußt, also die Temperatur­ regelung beeinträchtigt, erscheint der Treibgasdruck als die geeignetere Steuergröße zur Verstellung der Brenner­ reichweite.

In vielen Fällen steht ein relativ hoher Brenngasdruck zur Verfügung, so daß bei zusätzlichem Impuls durch das Treibgas die Reichweite oft zu groß sein wird. Um über die mechanische Energie des Brenngases eine größtmögliche Mischwirkung zu erreichen, ist es unzweckmäßig, den Brenn­ gasdruck herabzusetzen. Vielmehr kann eine Ablenkung eines oder mehrerer Brenngasstrahlen durch eine vorzugs­ weise gleiche Anzahl von Treibgasstrahlen vorgenommen werden, wobei je nach Anordnung der Strahlwinkel eine Erhöhung des Treibgasdrucks verkleinernd oder vergrößernd auf die Reichweite wirken kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der gemäß der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung zur Zuführung eines gasförmigen Brennstoffes und eines Sauerstoff­ trägers in den Brennraum eines Tunnelofens dargestellt, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist. Hierbei zeigt, jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Brenner des Tunnelofens mit vorge­ schaltetem fluidischem Verstärkerelement,

Fig. 2 den als fluidisches Verstärkerelement ausgebildeten Brenner nach Fig. 1 mit verstellbarer Austrittsöffnung des Brenngases,

Fig. 3 die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einem weiteren dem Brenner nachgeschalteten fluidischen Verstärkerelement,

Fig. 4 den Brenner nach Fig. 1, dessen Brenngas­ strahl durch den Treibgasstrahl zur Verkür­ zung der Brennerflamme abelenkt wird und

Fig. 5 den Brenner nach Fig. 1, dessen Brenn- und Treibgasstrahl zur Verlängerung der Brenner­ flamme zusammengeführt werden.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten und jeweils mit 1 bezeichneten Vorrichtungen dienen zur gesteuerten Einbringung eines gasförmigen Brennstoffes sowie eines Sauerstoffträgers, beispielsweise Luft, in den Brennraum 3 eines Tunnelofens 1 der keramischen Industrie, die über einen Brenner 4 dem Brennraum 3 zugeführt werden. An den Brenner 4 ist hierbei eine Brennstoffzuführungsleitung 5 angeschlossen, in die ein Schaltglied 6 in Form eines elektromagnetischen Schaltventils eingesetzt ist. Bei impulsweiser Zuführung des Brennstoffes werden dem Schalt­ glied 6 getaktete Schaltimpulse 7 zugeleitet.

Um den Luftmengenstrom in Abhängigkeit von der Zeitdauer eines Brennvorganges regeln zu können und um diesen zu optimieren, ist dem Brenner 4 ein fluidisches Verstärker­ element 11 vorgeschaltet, das mittels Treibgas aktiviert wird. Dazu ist an das fluidische Verstärkerelement 11 eine Treibgasleitung 12 angeschlossen, in der ein Schalt­ element 13 ebenfalls in Form eines elektromagnetischen Schaltventils, dem getaktete Schaltimpulse 14 zuführbar sind, eingesetzt. Durch das in das fluidische Schaltelement 11 eingebrachte Treibgas wird der dieses durchströmende Luftstrom 15 in einem erheblichen Maße verstärkt und kann somit auf einfache Weise mit Hilfe des Treibgasstromes geregelt werden. Außerdem ist das aus dem Brenner 4 aus­ tretende Luft-/Gasgemisch 16 intensiv vermischt.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist der Brenner 4′ ebenfalls als fluidisches Verstärkerelement in Form einer Venturidüse 27 ausgebildet, die mit Öffnungen 28 ver­ sehen ist. Durch die Öffnungen 28 kann somit ein Rauch­ gasstrom 29 aus dem Brennraum 3 des Tunnelofens 2 ange­ saugt und dem Gas-/Luftgemisch zugeführt werden, eine große Menge von freiem Sauerstoff aus der Ofenatmosphäre kann auf diese Weise mit in den Verbrennungsvorgang einbezogen werden.

Des weiteren ist bei dieser Ausgestaltung die Möglichkeit einer individuellen Einstellung der Leistung des Brenners 4′ gegeben. Dazu ist auf das mit einem Kegel 23 ausge­ stattete Ende 21 der Gaszuführungsleitung 5 eine mit einer Ausnehmung 24 versehene Ummantelung 22 aufgesetzt, in deren Ausnehmung 24 der Kegel 23 eingreift. Und da die Ummantelung 22 mittels eines Gewindes 26 verstellbar ist, kann der sich als Spalt 25 ergebende freie Austritts­ querschnitt zwischen der Ummantelung 22 und dem Kegel 23 auf die jeweiligen Betriebsbedingungen eingestellt und die in dem Brenngas enthaltene mechanische Energie in Geschwindigkeit umgewandelt werden, so daß durch das austretende Gas-/Luftgemisch 16′ eine große Turbulenz in dem Brennraum 3 erzeugbar ist.

Gemäß Fig. 3 ist dem Brenner 4 ein weiteres fluidisches Verstärkerelement 31 nachgeschaltet, dem über eine an die Treibgasleitung 12 angeschlossene Leitung 32 ebenfalls Treibgas zuführbar ist. Es ist aber auch möglich, wie dies strichpunktiert eingezeichnet ist, dem Verstärker­ element 31 eine gesonderte Treibgasleitung 33 zuzuordnen, in der ein taktweise schaltbares Schaltglied 34 einge­ setzt ist. Auf diese Weise kann ebenfalls ein Gasstrom 29 aus dem Brennraum 3 dem Luft-/Gasgemisch 16′′ zugeführt werden.

Zur Einstellung der Flammenlänge des Brenners 4 kann, wie dies in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, der Brenn­ gasstrahl durch den Treibgasstrahl abgelenkt werden, wobei je nach Anordnung mit steigendem Druck des Treibgases eine kürzere oder eine längere Brennerflamme erzeugbar ist.

Nach Fig. 4 wird der aus der Leitung 5′ austretende Brenngasstahl durch den aus der Leitung 12′ ausströmenden Treibgasstrahl derart abgelenkt, daß die Länge der Flamme des Brenners 4 verkürzt wird, gemäß Fig. 5 werden dagegen die beiden aus den Leitungen 5′ und 12′′ austretenden Treibgas- und Brenngasstrahlen so abgelenkt, daß die Länge der Flamme des Brenners 4 verlängert wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Zuführung eines gasförmigen über eine mit einem Schaltglied versehene Leitung zuströmenden Brennstoffes und eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Luft, in den Brennraum eines Tunnelofens der keramischen Industrie, dadurch gekennzeichnet, daß zur gesteuerten Einbringung des Sauerstoffträgers einem dem Brennraum (3) zugeordneten Brenner (4) ein fluidisches Verstärkerelement (11) vorgeschaltet ist, an das eine mit einem Schaltglied (13) versehene Treib­ gas führende Leitung (12) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (4) als fluidisches Verstärkerelement (27) ausgebildet ist, das an den Brennraum (2) des Tunnelofens (1) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenner (4) ein fluidisches Verstärkerelement (31) nachgeschaltet ist, das über eine Leitung (32) an die Treibgasleitung (12) des vorgeschalteten flui­ dischen Verstärkerelementes (11) oder an eine mit einem Schaltglied (34) versehene Treibgasleitung (33) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fluidischen Verstärkerelemente (11; 27; 31) als Coanda- oder Venturi-Treibgasdüsen ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Treibgasleitungen (12; 33) der flui­ dischen Verstärkerelemente (11; 31) eingesetzten Schalt­ glieder (13; 34) jeweils durch ein impulsweise ansteuer­ bares elektromagnetisches Schaltventil gebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durchströmbare Austrittsquerschnitt der den gasförmigen Brennstoff führenden Leitung (5; 21), beispielsweise mittels eines axial verstellbar angeord­ neten, in eine Ausnehmung (24) einer die Leitung (22) aufnehmenden Ummantelung (22) eingreifenden Kegels (23), einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Länge der Flamme des Brenners (4) der Strahl des Brenngases (Leitung 5′) durch den Strahl des Treibgases (Leitung 12′) ablenkbar ist, wobei je nach Anordnung mit steigendem Druck des Treib­ gases eine kürzere oder eine längere Brennerflamme erzeugbar ist.

8. Verfahren zur gesteuerten Zuführung eines gasförmigen über eine mit einem Schaltglied versehenen Leitung zuströmenden Brennstoffes und eines Sauerstoffträgers, vorzugsweise Luft, in den Brennraum eines Tunnelofens der keramischen Industrie, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Sauerstoffträgers zu einem dem Brennraum (3) zugeordneten Brenner (4) über ein diesem vorgeschaltetes fluidisches vorzugsweise als Coanda- oder Venturi-Treibgasdüse ausgebildetes Verstärkerele­ ment (11) vorgenommen wird und daß zur gesteuerten Einbringung des Sauerstoffträgers in den Brenner (4) dem Verstärkerelement (11) über eine mit einem Schalt­ glied (13) versehene Leitung (12) impulsweise Treibgas zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über einen als fluidisches Verstärkerelement (27) ausgebildeten Brenner (4′) Gase aus dem Brennraum (3) des Tunnelofens (2) dem Brennstoff/Luftgemisch bei­ gemischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß über ein dem Brenner (4) nachgeschaltetes flui­ disches Verstärkerelement (31) Treibgas dem Brennstoff/ Luftgemisch zugeführt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis zwischen dem gasförmigen Brennstoff und dem Sauerstoffträger durch Verändern des Druckes des zugeführten Treibgases und/oder des freien durchströmbaren Austrittsquerschnittes des Verstärkerelementes (11) eingestellt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Leitungen (5; 12; 33) des gasförmigen Brennstoffes und des Treibgases eingesetzten Schalt­ glieder (6; 13; 34) zeitversetzt und/oder mit unter­ schiedlicher einstellbarer Schaltdauer angesteuert werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Flamme des Brenners (4) mit Hilfe des Druckes des Brenngases oder des Treibgases einge­ stellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Länge der Flamme des Brenners (4) in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung im Brennraum (3), vorzugsweise mit Hilfe einer Temperatur- Differenzmessung, erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Länge der Flamme des Brenners (4) durch Veränderung des Druckes des Treibgases in der Weise vorgenommen wird, daß der Brenngasstrahl durch einen Treibgasstrahl derart abgelenkt wird, daß je nach Anordnung mit steigendem Druck des Treib­ gases eine kürzere oder eine längere Brennerflamme erzeugt wird.