DE69510395T2

DE69510395T2 - Gasbrenner für Industrieöfen

Info

Publication number: DE69510395T2
Application number: DE69510395T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Dieuloufet; Philippe Domini; Serge Silvestrini; Alain Usai
Original assignee: Sollac SA; Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: Sollac SA
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: EP0674135A1; DE69510395T3; ES2132550T3; FR2717884B1; ES2132550T5; DE69510395D1; EP0674135B1; FR2717884A1; ATE181593T1; EP0674135B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasbrenner, wie er insbesondere in Industrieöfen verwendet wird, beispielsweise in Blocknachwärmeöfen der Stahlindustrie, insbesondere Brammenöfen oder Härteöfen etc..
Derartige Brenner sind Hochleistungsbrenner in der Grössenordnung von 1000 bis 6000 oder mehr Thermie (4,1855 · 10&sup9; J bis 2,5113 · 10¹&sup0;J), die mit einem in der Eisenhüttenindustrie üblichen Gas gespeist werden (Mischgas, Koksofengas, ...) mit einem geringen Druck (< 1 bar).
Es sind bereits verschiedene Brennertypen bekanntgeworden, welche im allgemeinen mehrere konzentrische Kanäle zur Versorgung mit Brenngas und mit Luft aufweisen, die in der Nähe des Brennerkopfes münden und vor dem die Verbrennung stattfindet. So sind z. B. Brenner bekannt, die einen zentralen Kanal zur Versorgung mit Brenngas aufweisen, welcher von zwei konzentrischen ringförmigen Kanälen zur Versorgung mit Luft umgeben ist. Es sind auch andere Brenner bekannt, die dahingehend ausgebildet sind, dass die Mischung von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas verbessert wird und damit die Verbrennung selbst, wobei das Brenngas dem Brennerkopf durch einen ringförmigen Kanal zugeführt wird, der zwischen einem zentralen Kanal und einem ringförmigen Umfangskanal verläuft, wobei diese beiden Kanäle der Zufuhr von die Verbrennung fördernder Luft dienen.
Die herkömmlichen Industriebrenner erzeugen jedoch bei der Verbrennung Gase mit erhöhten Anteilen an Stickoxiden NOx, deren Gehalt höher als 300 ppm für einen Sauerstoffgehalt in der Grössenordnung von 2% in den Abgasen liegt, was für die meisten Öfen und auch für die Umwelt als schädlich angesehen wird, da diese Stickoxide mit den Ofenabgasen in die Umgebung abgegeben werden.
Zur Verringerung des Gehaltes an Stickoxiden in den Verbrennungsgasen ist es bekannt, eine Stufenverbrennung oder eine Magerverbrennung durchzuführen, jedoch geht dies zu Lasten des Wirkungsgrades der Verbrennung und damit der Kosten für die Nacherwärmung der Produkte.
Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, den Gehalt an Stickstoffoxiden in den Verbrennungsgasen zu verringern unter gleichzeitiger Gewährleistung einer guten Verbrennung und einer guten Flammstruktur, trotz Leistungsveränderungen, die notwendig sein können während des Einsatzes der Brenner.
In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung einen Gasbrenner hoher Leistung, insbesondere für in der Stahlherstellung verwendete Gase, mit einem zentralen Kanal zur Zufuhr von Brenngas, mit zwei konzentrischen ringförmigen Kanälen zur Zufuhr von Luft und mit einem Brennerkopf, welcher aufweist:
- eine erste Anzahl von Gasdurchlassöffnungen, die kreisförmig angeordnet sind und die mit dem zentralen Kanal in Verbindung stehen,
- eine zweite Anzahl von Luftdurchlassöffnungen, die kreisförmig um die Gasdurchlassöffnungen herum angeordnet sind und die mit dem ersten der beiden ringförmigen Kanäle in Verbindung stehen und
- eine dritte Anzahl von Luftdurchlassöffnungen, die kreisförmig angeordnet sind und die mit dem zweiten der beiden ringförmigen Kanäle in Verbindung stehen, der am Umfang angeordnet ist; er ist dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der ersten Anzahl bezüglich der Axialrichtung des Brennerkopfes geneigt sind und zum Äusseren des Brenners hin divergieren, um einen divergenten Gasstrom zu erzeugen, während die Öffnungen der zweiten Anzahl schraubenlinienförmig angeordnet sind, um einen wirbelförmigen Luftstrom zu erzeugen, der den Gasstrom schneidet und dass der Brenner eine Anordnung aufweist, um die Verteilung der Luft zwischen der zweiten Anzahl von Öffnungen und der dritten Anzahl von Öffnungen zu modulieren.
Die erfindungsgemässe Kombination des divergenten Brenngasstromes und des wirbelförmigen die Verbrennung fördernden Luftstromes führt beim Zusammentreffen dieser beiden Ströme in der Nähe des Brennerkopfes zu einer starken Durchmischung von Gas und Luft und damit zu einer gleichförmigen Ausgestaltung des Gemisches und zu einer verbesserten Verbrennung.
Die aus den Gasdurchlassöffnungen nach aussen hin gerichteten Gasströme weiten ausserdem die Flamme auf und geben ihr eine bauchige Kontur geringer Dicke, wobei der Hochtemperaturbereich der Flamme ausschliesslich durch die Wand dieser Kontur bestimmt ist. Dies bedeutet, dass die Aufenthaltszeit der Verbrennungsprodukte in diesem Hochtemperaturbereich verringert ist verglichen mit einer stärker konzentrierten Flamme, welche einen Hochtemperaturbereich in Form eines im wesentlichen zylindrischen massiven Bereichs bildet, in dem sich die Verbrennungsprodukte länger aufhalten.
Aufgrund dieser reduzierten Aufenthaltsdauer im Hochtemperaturbereich ist die Ausbildung von Stickstoffoxid, welches durch hohe Temperaturen und die Aufenthaltszeit begünstigt wird, reduziert.
Gemäss einer bevorzugten Anordnung weist der Brennerkopf in der Mitte der ersten Anzahl von Gasdurchlassöffnungen einen in Richtung zur Aussenseite des Brenners bezüglich einer Vorderseite des Kopfes hervorspringenden Abschnitt auf, wobei die Vorderseite im wesentlichen eben ist, senkrecht zur Brennerachse verläuft und wobei in ihr die Öffnungen der ersten und der zweiten Anzahl münden. Dieser hervorspringende Abschnitt vermeidet eine Rezirkulation der Verbrennungsprodukte in unmittelbarer Nähe der Gasöffnungen, welche den Gasaustritt stören könnte. Dagegen begünstigt er diese Rezirkulation in einem grösseren Abstand vom Brennerkopf, wodurch die Verbrennungsprodukte aus dem Hochtemperaturbereich schnell austreten, sodass die Menge an gebildeten Stickstoffoxiden noch weiter verringert wird.
Weitere Besonderheiten und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines erfindungsgemässen Hochleistungsbrenners für einen Blocknachwärmeofen für Stahlbrammen hervor, im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; Es zeigen
Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Gasbrenner, der in der Seitenwand des Blocknachwärmeofens eingesetzt ist,
Fig. 2 einen Schnitt in vergrösserter Darstellung durch den Brennerkopf,
Fig. 3 eine teilweise Vorderansicht des Brennerkopfes, und
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1. Der Brenner 1 weist ein Gehäuse 2 zur Versorgung mit einem Brenngas und mit Luft auf, in dem ein zentraler Kanal 3 zur Zufuhr von Gas ausgebildet ist, der sich entlang der Axialrichtung X des Brenners erstreckt und der von einem ersten ringförmigen Kanal 4 zur Zufuhr von Luft und von einem zweiten ringförmigen Kanal 5 entlang des Umfangs umgeben ist, der ebenfalls der Luftzufuhr dient. Diese drei koaxialen Kanäle werden mit Gas bzw. mit Luft mittels entsprechender Zufuhrleitungen 6, 7, 8 versorgt.
Der Brenner 1 weist ausserdem einen Kopf 10 auf, der auch Ausströmer genannt wird und der üblicherweise aus einem keramischen Material besteht. Der Kopf 10 besteht aus einer dicken Platte 11, welche die axialen Enden der verschiedenen Kanäle bedeckt, wobei er sie abdichtet und der in eine in der Innenauskleidung des Ofens 12 vorgesehene Aussparung eingesetzt ist, in der er durch eine nicht dargestellte Befestigungsanordnung an der Wand 13 des Ofens gehalten wird.
Die Platte 11 wird von einer Vielzahl von Gas- und Luftaustrittsöffnungen durchsetzt:
- eine erste Anzahl von Öffnungen 14, die entlang eines Kreises C1 verteilt sind, münden auf der rückwärtigen Fläche 9 der Platte 11 im Gaszufuhrkanal 3
- eine zweite Anzahl von Öffnungen 15, die entlang eines Kreises C2 verteilt sind, münden auf gleiche Art im ringförmigen Kanal 4 und
- eine dritte Anzahl von Öffnungen 16, die entlang eines Kreises C3 verteilt sind, münden im Umfangskanal 5.
Die stromaufwärtige Seite des Brennerkopfes weist eine ebene Vorderseite 17 auf, in welcher die Gasdurchlassöffnungen 14 und die Öffnungen 15 münden, sowie einen ringförmigen Umfangsabschnitt 18, der bezüglich dieser Vorderseite hervorspringt und in dessen Oberfläche die Öffnungen 16 münden.
Die Gasdurchlassöffnungen 14 sind bezüglich der Axialrichtung X des Brenners geneigt und bilden mit dieser einen Winkel α, der zwischen 15 und 25º liegt.
Die Luftdurchlassöffnungen 15 sind derart ausgebildet, dass die Achse einer jeden Öffnung in einer Ebene parallel zur Axialrichtung des Brenners liegt sowie tangential zum Kreis C2 und in dieser Ebene um einen Winkel β zwischen 15 und 25º bezüglich der Axialrichtung geneigt ist (siehe Fig. 2). Die Öffnungen 15 sind also schraubenlinienförmig angeordnet, dergestalt, dass der daraus austretende Luftstrom eine Rotationsbewegung um die Brennerachse X ausführt. Die Öffnungen 16 sind um einen Winkel γ zwischen 0º und 10º bezüglich der Achse geneigt und vorteilhafterweise um 5º. Ein zu grosser Winkel würde zu einer Verkürzung der Flamme derart führen, dass in bestimmten Fällen die Bauteile oder Ofenabschnitte in der Nähe des Brenners eine unerwünscht grosse Temperaturerhöhung erfahren könnten.
Der Brennerkopf weist in seinem mittleren Abschnitt zwischen den Öffnungen 14 einen bezüglich der Vorderseite 17 hervorspringenden kegelstumpfförmigen Abschnitt 19 auf, wobei der Kegelstumpf seine grosse Basis auf Höhe dieser Vorderseite besitzt. Zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 19 und dem hervorspringenden Abschnitt 18 wird dabei eine ringförmige Nut 20 mit trapezförmigem Querschnitt gebildet, in welcher die Gasdurchlassöffnungen 14 münden, sowie die Öffnungen 15 der zweiten Anzahl von Luftdurchlassöffnungen.
Vorzugsweise münden die Gasdurchlassöffnungen 14 an der Vorderseite 17 winkelmässig gesehen an Stellen zwischen jeweils zweier benachbarter Luftdurchlassöffnungen 15 (Fig. 3). Dadurch schneidet jeder aus den Öffnungen 15 austretende wirbelförmige Luftstrom den aus den in unmittelbarer Nachbarschaft auf der Vorderseite 17 aus den Öffnungen 14 austretenden Gasstrom, wodurch eine starke Durchmischung von Gas mit Luft erzielt wird und damit ein homogenes Gemisch, welches eine sehr gute Verbrennung ermöglicht.
Ausserdem bedingt die Neigung der Gasdurchlassöffnungen 14, dass das Luft-Gas-Gemisch dazu neigt, eine Art Vorhang mit bauchiger Kontur zu bilden, in dem die Verbrennungstemperatur maximal ist. Der Mittenbereich dieser Kontur hingegen in der Achse des Brenners ist davon relativ abgetrennt und ermöglicht stromabwärts des Brenners eine Rezirkulation der Verbrennungsprodukte, die demzufolge den heissesten Bereich schnell verlassen können, wodurch, wie bereits oben ausgeführt, die Verringerung des Gehaltes an gebildetem Stickstoffoxid begünstigt wird.
Die entlang des Umfangs angeordneten Luftdurchlassöffnungen 16 besitzen auf der Seite der Zufuhrleitung eine konische Abschrägung 21, dessen Mittenwinkel in der Nähe von 30º liegt, wodurch der Eingang dieser Öffnungen erweitert wird, mit dem Zweck, Strömungsverluste in dem durch den Umfangskanal 5 und diese Öffnungen gebildeten Kreislauf zu verringern und damit die Austrittsgeschwindigkeit der Luft bei konstantem Druck zu erhöhen.
Es sei betont, dass die Verteilung des Luftdurchsatzes auf den ringförmigen Kanal 4 und den Umfangskanal 5 eine Einstellung der Flammlänge als Funktion der Anforderungen ermöglicht. Wird für einen gesamten gegebenen Luftdurchsatz von beispielsweise 3900 Nm³/h im Falle eines Brenners mit einer Leistung von 3500 Thermie/Stunde (1,465 · 10¹&sup0;J/h) dieser auf die beiden Kanäle 4 und 5 verteilt und damit zwischen den beiden Anzahlen von Öffnungen 15 und 16, z. B. 1900 Nm³/h auf den Umfangskanal (welche die Öffnungen 16 durchsetzt) und 2000 Nm³/h auf den zentralen Kanal (welche die Öffnungen 15 durchsetzt), so sind die Austrittsgeschwindigkeiten aus diesen Öffnungen im wesentlichen gleich und in der Grössenordnung von 95 m/s. Unter diesen Bedingungen beginnt die Verbrennung, wie oben ausgeführt, in unmittelbarer Nähe des Kopfes 10, wobei man eine kurze Flamme erhält.
Wird jedoch der gesamte Durchsatz durch den Umfangskanal zugeführt, und damit in die Öffnungen 16 geleitet, so erhält man eine erheblich grössere aus diesen Öffnungen austretende Luftgeschwindigkeit, z. B. 170 m/s. Diese hohe Geschwindigkeit ermöglicht es, die (kälteren) auftretenden Verbrennungsprodukte mitzureissen und damit eine natürliche Rezirkulation entlang des Umfangs der Flamme herbeizuführen, wodurch das Auftreten von NOx begrenzt wird. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Verbrennung einerseits in einem grösseren Abstand vom Brennerkopf aufgrund der Tatsache, dass das Gas die Umfangsluft relativ weit vom Brenner entfernt trifft, während sie andererseits vom Brenner entfernt durchgeführt wird aufgrund der erhöhten Luftgeschwindigkeit, wodurch eine lange Flamme entsteht.
Es können Flammen mit mittleren Längen durch entsprechende Anpassung des Verhältnisses zwischen den Durchsätzen an Umfangsluft und an zentraler Luft eingestellt werden. Vorzugsweise wird der Durchsatz an zentraler Luft auf höchstens 50% des Durchsatzes an Gesamtluft begrenzt, um eine zu kurze Flamme zu vermeiden, deren heisse Stelle zu nahe an der Ofenwand liegen würde oder an den Stützbalken für die Brammen.
Unabhängig von der Flammlänge oder dem thermischen Betrieb des Brenners ermöglicht die Erfindung eine sehr gute Verbrennung mit einem geringen Gehalt an Stickstoffoxid in den Verbrennungsprodukten.
Um die Strömungsverluste in den Luftzufuhrleitungen maximal zu begrenzen, ist vorgesehen, dass die Luft in den Kanälen 4 und 5 in Tangentialrichtung geführt wird. Zu diesem Zweck sind die Zufuhrleitungen 7 und 8 derart ausgestaltet, dass sie tangential in diesen Kanälen münden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
Auf diese Weise werden die Luftströmungen verbessert, insbesondere im Vergleich mit den herkömmlichen Anordnungen, bei denen die Luft in den Kanälen in Radialrichtung eintritt und dadurch auf die gegenüber den Zufuhrleitungen liegenden Wänden trifft, bevor sie sich in den Kanälen verteilt. Hinsichtlich der zentralen Luftzufuhrleitung 7 ist die Eintrittsseite derart festgelegt, dass eine Luftrotation im Kanal 4 in gleicher Richtung wie die durch die Neigung der Öffnungen 14 des Brennerkopfes bedingte Rotation auftritt.
Es ist klar, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern eine Vielzahl von Varianten oder Äquivalenten im Rahmen der in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Merkmale umfasst.
So ist z. B. möglich, den Stickstoffoxidgehalt in den Verbrennungsabgasen noch weiter zu verringern, indem eine Anordnung vorgesehen wird, um in die die Verbrennung fördernde Luft Verbrennungsgase einzuführen, insbesondere eine teilweise Rückführung der vom Brenner selbst erzeugten Abgase nach geeigneter Filterung zur Abscheidung eventuell auftretender suspendierter Feststoffe.

Claims

1. Gasbrenner hoher Leistung, insbesondere für Industrieöfen, mit einem zentralen Kanal (3) zur Zufuhr von Brenngas, mit zwei konzentrischen ringförmigen Kanälen (4, 5) zur Zufuhr von Luft und mit einem Brennerkopf (10), welcher aufweist:

- eine erste Anzahl von Gasdurchlassöffnungen (14), die kreisförmig angeordnet sind und die mit dem zentralen Kanal (3) in Verbindung stehen,

- eine zweite Anzahl von Luftdurchlassöffnungen (15), die kreisförmig um die Gasdurchlassöffnungen herum angeordnet sind und die mit dem ersten (4) der beiden ringförmigen Kanäle in Verbindung stehen und

- eine dritte Anzahl von Luftdurchlassöffnungen (16), die kreisförmig angeordnet sind und die mit dem zweiten (5) der beiden ringförmigen Kanäle in Verbindung stehen, der am Umfang angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (14) der ersten Anzahl bezüglich der Axialrichtung (X) des Brennerkopfes geneigt sind und zum Äusseren des Brenners hin divergieren, um einen divergenten Gasstrom zu erzeugen, dass die Öffnungen (15) der zweiten Anzahl schraubenlinienförmig angeordnet sind, um einen wirbelförmigen Luftstrom zu erzeugen, der den Gasstrom schneidet und dass der Brenner eine Anordnung aufweist, um die Verteilung der Luft zwischen der zweiten Anzahl von Öffnungen (15) und der dritten Anzahl von Öffnungen (16) zu modulieren.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) der Gasdurchlassöffnungen (14) bezüglich der Brennerachse zwischen 15 und 25º liegt.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (β) der Luftdurchlassöffnungen (15) der zweiten Anzahl von Öffnungen bezüglich der Axialrichtung des Brenners zwischen 15 und 25º liegt.

4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (γ) der Luftdurchlassöffnungen (16) der dritten Anzahl von Öffnungen bezüglich der Axialrichtung des Brenners zwischen 0 und 10º liegt.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (10) in der Mitte der ersten Anzahl von Gasdurchlassöffnungen (14) einen in Richtung zur Aussenseite des Brenners bezüglich einer Vorderseite (17) des Kopfes hervorspringenden Abschnitt (19) aufweist, die im wesentlichen eben ist, senkrecht zur Brennerachse verläuft und in der die Öffnungen der ersten und der zweiten Anzahl münden.

6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hervorspringende Abschnitt (19) im wesentlichen kegelstumpfförmig ist, wobei die grosse Basis auf Höhe der Vorderseite (17) angeordnet ist.

7. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die winkelmässige Anordnung einer jeden Gasdurchlassöffnung (14) in der im wesentlichen ebenen Vorderseite (17) des Kopfes, die senkrecht zur Brennerachse verläuft und in der diese erste Anzahl Öffnungen mündet, zwischen den entsprechenden winkelmässigen Anordnungen der Ausslässe zweier benachbarter Öffnungen der zweiten Reihe von Öffnungen (15) befindet.

8. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16) der dritten Anzahl von Öffnungen an ihren zum Umfangskanal (5) hin gerichteten Enden eine konische Abschrägung (21) aufweisen.

9. Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Luftzufuhrleitungen (7, 8) aufweist, die tangential in den ringförmigen Kanälen (4, 5) münden.

10. Brenner nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhrleitung (7) für den ersten Kanal (4) in diesem Kanal in einer derartigen Richtung mündet, dass die durch ihren tangentialen Eintritt in diesen Kanal in Rotation versetzte Luft die gleiche Richtung aufweist wie die durch die schraubenlinienförmige Anordnung der Öffnungen (15) der zweiten Anzahl hervorgerufene Rotation.

11. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anordnung aufweist, um Brenngase in die Brennluft einzuführen.

12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Anordnung zur teilweisen Rezirkulation der Verbrennungsabgase in die Brennluft versehen ist.