DE69802116T2 - Keramischer gasbrenner und regenerative wärmeerzeugungsanlage mit einem solchen brenner - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Keramikbrenner für Gase, insbesondere zur Verwendung in der Brennkammer eines regenerativen Wärmegenerators, wie beispielsweise einem Heißblase-Einbrennofen für einen Hochofen, wobei der Keramikbrenner eine erste Zuführleitung für eine erste Verbrennungskomponente, wie beispielsweise ein Brenngas, und eine zweite Zuführleitung für eine zweite Verbrennungskomponente, wie beispielsweise Verbrennungsluft, wobei die erste Zuführleitung in einer im wesentlichen länglichen Auslaßöffnung und die zweite Zuführleitung in wenigstens einer zweiten Auslaßöffnung mündet, sich letztere Öffnung(en) im wesentlichen parallel zu und stromabwärts von einer ersten Auslaßöffnung erstreckt, und ein Trennelement, das sich bis zu den zwei Auslaßöffnungen erstreckt, wobei die Auslaßöffnungen direkt in die Brennkammer münden, und weiterhin zwischen der ersten Zuführleitung und der zweiten Zuführleitung angeordnet ist, umfaßt. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen regenerativen Wärmegenerator, der einen Keramikbrenner der genannten Art aufweist.
• Beim Betrieb eines Hochofens ist eine Mehrzahl von Heißblase-Einbrennöfen in der Nähe dieses Hochofens zusammengefaßt, so daß es durch den Wechsel von einem Heißblase- Einbrennofen zu einem anderen Heißblase-Einbrennofen immer möglich ist, dem Hochofen durch eine Auslaßöffnung eines Heißblase-Einbrennofen Heißluft als Reaktionskomponente zuzuführen. Wann immer ein Heißblase-Einbrennofen vom Hochofen getrennt wird, kann er durch Brenngas mit Hilfe des Keramikbrenners erneut erwärmt werden, woraufhin heißes Abgas durch die Brennkammer und den Wärmehaltungsschacht strömt, wobei der Wärmehaltungsschacht die Wärme des heißen Abgases absorbiert, so daß diese Wärme dann in einer darauffolgenden Betriebsphase wieder an die Luft, die dem Heißblase-Einbrennofen durch die Zuführöffnung zugeführt wird, abgegeben werden kann.
• Aus Gründen der Wirksamkeit des Aufbaus ist es sehr wichtig, daß die dem Keramikbrenner zugeführten Verbrennungskomponenten so vollständig wie möglich verbrannt werden, bevor das heiße Abgas durch den Wärmehaltungsschacht strömt. Deshalb wurden für den Keramikbrenner verschiedene Aufbaumöglichkeiten entworfen. In dem Brenner der genannten und bekannten Art sind Ausführungsformen bekannt, in denen eine einzige Zuführleitung für das Brenngas und eine einzige Zuführleitung für die Verbrennungsluft angeordnet sind. Es sind ebenfalls Aufbaumöglichkeiten bekannt, bei denen eine Leitung für das Brenngas zentral zwischen zwei Zuführleitungen für Verbrennungsluft angeordnet ist.
• Weiterhin sind Aufbaumöglichkeiten bekannt, bei denen die Auslaßöffnung einer Zuführleitung für Verbrennungsluft eine einzelne Öffnung umfaßt, während es auch bekannt ist, diese Auslaßöffnung in eine Reihe von separaten Öffnungen zu trennen. Der letztere Aufbau ist beispielsweise in der EP-A-0 090 096 beschrieben.
• Obwohl mit bekannten Aufbaumöglichkeiten bereits beträchtliche Verbesserungen der Verbrennungswirksamkeit erzielt wurden, wurde festgestellt, daß dennoch auch weiterhin Verbesserungen möglich sind. Insbesondere wurde festgestellt, daß es sehr wichtig ist, die Zündung der Flamme immer so nah wie möglich oberhalb des Brenners zu halten. Denn wenn diese Zündung in einer größeren Höhe stattfindet, ist es möglich, daß der Verbrennungsort im hohen Maße zu schwanken beginnt, wodurch Vibrationen im gesamten Aufbau erzeugt werden können.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Merkmale zu schaffen, durch welche die Verbrennung konstant ist und vorzugsweise sehr nahe an den Auslaßöffnungen stattfindet.
• Es wurde nun eine Lösung gefunden, die sowohl in einem Aufbau mit zwei Zuführleitungen für die zweite Verbrennungskomponente als auch für einen Aufbau verwendet werden kann, bei dem die Auslaßöffnung jeder Zuführleitung eine einzelne Öffnung ist oder in separate Öffnungen unterteilt ist.
• Die Erfindung besteht darin, daß wenigstens eine der ersten und zweiten Zuführleitungen Mittel umfaßt, um während des Betriebs Verwirbelungen an die Verbrennungskomponente zu übertragen, während diese durch die besagte Leitung(en) eintritt, wobei durch die Verwirbelungen ein Verbrennungsgemisch der zwei Verbrennungskomponenten stromaufwärts und nahe des Endes des Trennelementes erzeugt wird. Das Mittel, das auf einfache Weise diese Verwirbelungen erzeugt, umfaßt eine stufenweise Erweiterung, die in der Nähe der Auslaßöffnung(en) wenigstens einer ersten und/oder einer zweiten Zuführleitung angeordnet ist und den Querschnitt des besagten Leitung aufweist, wobei die stufenförmige Erweiterung durch die Form des Trennelementes erzeugt wird, und auf die stufenförmige Erweiterung am Ende des Trennelementes eine allmähliche Erweiterung folgt, so daß eine Wirbelstrombrennkammer erzeugt wird. An der Stelle der abrupten Erweiterung werden die Verwirbelungen an die Verbrennungskomponente, die hinter diese Erweiterung in den zusätzlich erzeugten Raum strömen, übertragen, wobei die Verwirbelungen auch die andere Verbrennungskomponente mitreißen, so daß ein Brennstoffgemisch in den Verwirbelungen gebildet wird. Dieses Brennstoffgemisch kann aufgrund der Tatsache, daß eine geringe Strömungsgeschwindigkeit in den Verwirbelungen in Längsrichtung der Brennkammer vorherrscht, direkt an der Stelle gezündet werden. Somit kann eine erzeugte Flamme nicht einfach vom Brennerkopf "weggeblasen" werden.
• Natürlich muß, die abrupte Erweiterung ausreichend breit sein, um eine ausreichende Verwirbelung zu erzeugen. Es wurde festgestellt, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die stufenförmige Erweiterung etwa 20 bis 35% des ursprünglichen Querschnitts der entsprechenden Leitung aufweist.
• Auf die stufenförmige Erweiterung folgt bis zum Ende des Trennelementes eine allmähliche Erweiterung, so daß eine Wirbelstrombrennkammer erzeugt wird. Aufgrund der allmählichen Erweiterung erlangt die gebildete Wirbelstrombrennkammer ein ausreichendes Volumen, um die Verwirbelung auf ein größeres Gasvolumen übertragen zu können und dieses somit zu einem Brennstoffgemisch zu vermischen. Dies sichert die Stabilität der Flammenbildung direkt oberhalb des Endes des Trennelementes.
• In der DE-A-27 00 786 ist ein Keramikbrenner mit einer Mischkammer für Verbrennungsgas und Luft offenbart, die stromaufwärts der Brennkammer und durch einen Kanal mit begrenztem Querschnitt getrennt von dieser angeordnet ist. In der Mischkammer wird durch diesen Kanal mit begrenztem Querschnitt die Verbrennung des Gemisches verhindert. Da die Auslaßöffnungen von Gas und Luft bei dem vorliegenden Keramikbrenner der Erfindung direkt in die Brennkammer münden und das Mittel zur Übertragung der Verwirbelung ein Brennstoffgemisch stromaufwärts und nahe des Endes des Trennelementes erzeugt, geht die Zündung des Brennstoffgemisches von einem derartigen Mittel aus.
• Die EP-A-009 009 6 beschreibt einen Keramikbrenner, bei dem die Auslaßöffnungen für Gas und Luft derart ausgebildet sind, daß sie Verwirbelungen erzeugen, die sich von diesen Auslaßöffnungen in die Brennkammer hinein erstrecken. Es ist kein getrenntes Mittel, wie beispielsweise eine stufenförmige Erweiterung, offenbart, um Verwirbelungen und eine Mischung von Gas und Luft stromaufwärts der Öffnungen und nahe des Endes des Trennelementes zu erzeugen. In der US-A-3 837 793 wurde der Stand der Technik bezüglich Keramikbrenner offenbart, gegenüber dem die vorliegende Erfindung eine Verbesserung schafft.
• Zusätzlich zu dem beschriebenen Keramikbrenner bezieht sich die Erfindung auch auf einen regenerativen Wärmegenerator, wie beispielsweise einen Heißblase-Einbrennofen für einen Hochofen, der eine Zuführöffnung zur Zufuhr von zu erwärmendem Gas und eine Auslaßöffnung zum Ablassen von erwärmtem Gas umfaßt, der eine Brennkammer und einen Wärmehaltungsschacht aufweist, wobei die Brennkammer einen Keramikbrenner zum Erwärmen des Wärmegenerators umfaßt, und dieser Keramikbrenner der oben beschriebenen Art entspricht.
• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf drei Figuren genauer beschrieben, wobei
• Fig. 1 einen Heißblase-Einbrennofen für einen Hochofen als ein Beispiel für einen regenerativen Wärmegenerator zeigt;
• Fig. 2 einen Ausschnitt II der Fig. 1 im vergrößerten Maß stab zeigt; und
• Fig. 3 eine weitere Ausführungsform dieses Ausschnittes zeigt.
• In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 1 einen Wärmegenerator in Form eines Heißblase-Einbrennofens für einen Hochofen. Der Heißblase-Einbrennofen umfaßt eine Brennkammer 2 und einen Wärmehaltungsschacht 3, die durch eine Wand 4 voneinander getrennt sind. Ein Keramikbrenner 5 ist am Boden der Brennkammer angeordnet. Durch eine Verbindungsöffnung 6 wird von dem Keramikbrenner Verbrennungsluft, und durch die Verbindungsöffnung 7 Brennstoff in Form eines Verbrennungsgases zugeführt. Das Gemisch aus Verbrennungsluft und Verbrennungsgas wird in der Brennkammer 2 verbrannt. Die durch die Verbrennung erzeugten Abgase steigen in der Brennkammer 2 auf, werden durch die Kuppel 8 umgeleitet und strömen dann durch den Wärmehaltungsschacht 3, der mit Schamottensteinen (nicht gezeigt) ausgekleidet ist, wobei sie ungebundene Wärme an die Schamottensteine abgeben. Die Abgase, die auf diese Weise gekühlt wurden, verlassen den Heißblase-Einbrennofen durch die Auslaßöffnungen 9, von denen eine dargestellt ist.
• Nachdem die Schamottensteine auf eine ausreichende Temperatur erwärmt wurden, wird die Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft durch die Öffnungen 6 und 7 unterbrochen, woraufhin Kaltluft durch die Auslaßöffnung 9 zugeführt wird. Diese Kaltluft strömt dann durch den Wärmehaltungsbereich im Wärmehaltungsschacht 3, wird darin erwärmt, und verläßt dann den Heißblase-Einbrennofen durch die Öffnung 10. Die Öffnung 10 ist mit einem Heißluftverteilungssystem, dem sogenannten "Heißen Wind" verbunden, um dem Hochofen die Heißluft zuzuführen.
• Das Verbrennungsgas, das durch die Verbindungsöffnung 1 zugeführt wird, wird aufwärts in die erste Zuführleitung 13 für Verbrennungsgas umgeleitet, während die Verbindungsöffnung 6 in die zweite Zuführleitung 12 für Verbrennungsluft reicht. Die Zuführleitungen 12 und 13 sind durch ein Trennelement 11 voneinander getrennt.
• Der Aufbau um das obere Ende des Trennelementes 11 ist mit II bezeichnet und im vergrößerten Maßstab genauer in Fig. 2 dargestellt. Entsprechende Bezugsziffern von Fig. 1 beziehen sich auf entsprechende Elemente in Fig. 2. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Auslaßöffnung 14 der Zuführleitung 12 an einer höheren Position als die Auslaßöffnung 15 der Leitung 13 für das Verbrennungsgas und in einem Winkel zur Auslaßöffnung 15 angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Luftströmung die Gasströmung durchdringen, so daß sich die Strömungen zu einem Brennstoffgemisch vermischen.
• Die Zuführleitung 13 umfaßt direkt unterhalb der Auslaßöffnung 15 eine stufenförmige Erweiterung 16, die durch eine lokale Verengung des Trennelementes 11 erzielt wird. An die stufenförmige Erweiterung 16 schließt sich eine allmähliche Erweiterung 17 in Richtung der Auslaßöffnung 15 an. Somit wird eine Wirbelstrombrennkammer 18 zwischen der stufenförmigen Erweiterung 16, der allmählichen Erweiterung 17 und der Auslaßöffnung 15 ausgebildet. In der Wirbelstrombrennkammer 18 wird eine intensive Wirbelbewegung, die sich bis gerade oberhalb der Auslaßöffnung 15 erstreckt, auf einen Teil des Gasstromes übertragen, so daß es Verbrennungsluft von der Öffnung 12 mitreißt. Somit wird ein reiches Verbrennungsgemisch mit einer geringen Geschwindigkeitskomponente in Hauptrichtung der Strömung durch die Brennkammer 2 in der Wirbelstrombrennkammer 18 gebildet. Wenn das reiche Brennstoffgemisch gezündet wird, wird die Flammenfront sehr stabil in der Nähe des freien Endes des Trennelementes 11 verbleiben. Auf diese Weise wird ein Pulsieren der Flamme vermieden, wodurch auch Vibrationsphänomene in dem gesamten Aufbau verhindert werden. Weiterhin wird die Verbrennung wirksam verbessert.
• Worauf bereits zuvor hingewiesen wurde, ist die Erfindung nicht auf den dargestellten Aufbau begrenzt. In vielen Fällen wird ein Keramikbrenner bevorzugt, in dem zwei Zuführleitungen 12a und 12b für Verbrennungsluft symmetrisch zur Zuführleitung 13 für Verbrennungsgas angeordnet sind. In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind zwei Trennelemente 11a und 11b anstelle eines einzelnen Trennelementes 11 und weiterhin zwei Auslaßöffnungen 14a und 14b für die Zuführleitungen 12a und 12b angeordnet.
• Eine gleichwertige Wirkung wird auch erzielt, wenn die Auslaßöffnung(en) 14 (oder 14a und 14b) für Verbrennungsluft in getrennte Öffnungen geteilt ist/sind.

Claims (3)

1. Keramikbrenner für Gase, insbesondere zur Verwendung in der Brennkammer (2) eines regenerativen Wärmegenerators, wie beispielsweise in einem Heißblase- Einbrennofen (1) für einen Hochofen (1), wobei der Keramikbrenner eine erste Zuführleitung (13) für eine erste Verbrennungskomponente, wie beispielsweise ein Verbrennungsgas, und eine zweite Zuführleitung (12) für eine zweite Verbrennungskomponente, wie beispielsweise Verbrennungsluft, wobei die erste Zuführleitung (13) in einer im wesentlichen länglichen Auslaßöffnung (15) und die zweite Zuführleitung in wenigstens einer zweiten Auslaßöffnung (14) mündet, wobei sich letztere Öffnung(en) im wesentlichen parallel zu und stromabwärts von der ersten Auslaßöffnung erstreckt, und ein Trennelement (11), das sich bis zu den zwei Auslaßöffnungen (14, 15) erstreckt, wobei die Auslaßöffnungen (14, 15) direkt in die Brennkammer (2) münden; und weiterhin zwischen der ersten Zuführleitung (13) und der zweiten Zuführleitung (12) angeordnet ist, aufweist, und worin wenigstens eine der ersten und zweiten Zuführleitungen (12, 13) Mittel aufweist, um während des Betriebs Verwirbelungen an die Verbrennungskomponente zu übertragen, während diese durch besagte Leitung(en) austritt, wobei die Verwirbelungen derart sind, daß ein Brennstoffgemisch der zwei Verbrennungskomponenten stromaufwärts von und nahe des Endes des Trennelementes (11) erzeugt wird, wobei das Mittel zur Übertragung von Turbulenzen eine stufenförmige Erweiterung (16), die in der Nähe der Auslaßöffnung(en) (14, 15) der wenigstens ersten und/oder zweiten Zuführleitung angeordnet ist, mit dem Querschnitt besagter Leitung aufweist, wobei die stufenförmige Erweiterung (16) durch die Form des Trennelementes (11) gebildet ist und auf die stufenförmige Erweiterung (16) bis zum Ende des Trennelementes (11) eine allmähliche Erweiterung (17) folgt mit dem Ergebnis, daß eine Wirbelstrombrennkammer gebildet wird.

2. Keramikbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenförmige Erweiterung (16) einen Querschnitt aufweist, der 20 bis 35% des ursprünglichen Querschnitts der besagten Leitung entspricht.

3. Regenerativer Wärmegenerator, wie beispielsweise ein Heißblase-Einbrennofen für einen Hochofen (1), der eine Zuführöffnung (9) zum Zuführen von zu erwärmendem Gas und eine Auslaßöffnung (10) zum Ablassen von erwärmten Gas umfaßt, mit einer Brennkammer (2) und einem Wärmehaltungsschacht (3), wobei die Brennkammer (2) zum Erwärmen des Wärmegenerators einen Keramikbrenner (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Keramikbrenner um einen Keramikbrenner gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche handelt.