-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft Industriebrenner, und genauer Rekuperativ- und
Regenerativbrenner, welche den Coanda-Effekt nutzen.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Herkömmliche
Industriebrenner sind typischerweise in einer symmetrischen Weise
aufgebaut. Bei dieser symmetrischen Konfiguration ist eine Brennstoffleitung
im Allgemeinen axial entlang einer Mittellinie des Brenners angeordnet,
und Verbrennungsluft wird im Allgemeinen sogleich um einen Umfang
der Brennstoffleitung herum oder mit entsprechender Luftführung symmetrisch
um die Brennstoffleitung herum und radial im Abstand davon eingeführt. Ein
nach dem Stand der Technik bekanntes Beispiel eines symmetrischen
Industriebrenners ist durch U.S. Patent Nr. 3,876,362 von Hirose
offenbart. Der symmetrische oder „axiale" Brenner, der durch das Patent von Hirose
offenbart ist, versucht, einen abgelenkten Gasstrom von dem Brenner
durch Vorsehen eines Lufteinlasses in der Brennerkopfstruktur zu
induzieren. Der positiv gerichtete axiale Massenstrom der Luft-
und Brennstoffströmungen
bewirkt eine Rückführung von
POC von der Brennkammer in den Brennerkopf. Diese Induktion von
POC in den Brennerkopf und das nachfolgende Mitreißen in die
Brennstoff- und Luftströmungen
bewirken geringere Flammentemperaturen und niedrigere NOx-Erzeugungsraten.
-
Aus
der EP-A-0 736 732 ist ein Brenner für asymmetrische Verbrennung
bekannt. Dieser Brenner ist in einen Strahlrohrbrenner einbezogen.
-
Ferner
offenbart die US-A-4 983 118 einen Brenner, der gestaltet ist.,
um die NOx-Bildung durch Rückführung zu unterdrücken. Dieser
Brenner ist für
die symmetrische Verbrennung.
-
Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brenner zu schaffen,
der NOx-Niveaus erreicht, die niedriger als jene sind, die in dem
Patent von Hirose offenbart sind.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das Problem der
Raumeinsparung bei Brennerkonstruktionen anzusprechen, besonders
beim Einsatz von Regenerativ- und Rekuperativbrennern.
-
Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das Mitreißen von
Luft- und Brennstoff mit Verbrennungsprodukten mittels einer Brennerkonfiguration
zu maximieren, welche die NOx-Bildung minimiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
obigen Ziele werden mit einem Brenner für asymmetrische Verbrennung
erreicht, die entsprechend der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
Der Brenner weist insgesamt ein Brennergehäuse auf, das einen Brennerraum
umschließt.
Eine Brennstoffleitung erstreckt sich längs innerhalb des Gehäuses und ist
koaxial zu einer Linie im Abstand von einer Mittelachse des Brenners
positioniert. Die Brennstoffleitung definiert eine Brennstoffaustrittsöffnung.
Eine Luftleitung erstreckt sich in das Gehäuse hinein und definiert eine Luftöffnung an
einer von der Brennstoffaustrittsöffnung gegenüberliegenden
Seite der Brennermittelachse. Die Luftöffnung ist vorzugsweise in
einem größeren Abstand
von der Brennermittelachse weg als die Brennstoffaustrittsöffnung positioniert.
Die Luftleitung kann eine Querschnittsform in der Form eines Kreissegments
haben, das durch eine Sehne definiert ist.
-
Eine
Leitwand ist vorzugsweise wenigstens teilweise um die Brennstoffleitung
herum positioniert und definiert die Luftleitung. Die Leitwand kann
ferner eine Hauptstabilisierungskammer definieren, die zu der Brennstoffaustrittsöffnung unmittelbar
benachbart ist. Die Kammer kann über
die Brennstoffaustrittsöffnung
in Fluidverbindung mit der Brennstoffleitung sein. Die Kammer kann
zylinderförmig
und koaxial zu der Brennstoffleitung sein.
-
Ein
Brenneröffnungsblock
kann mit der Leitwand stromabwärts
der Brennstoffaustrittsöffnung
verbunden sein. Der Brenneröffnungsblock
weist vorzugsweise eine Seitenwand auf, die von der Brennermittelachse divergiert.
Die Seitenwand divergiert vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel
von zwischen etwa 2° und
etwa 30°.
Die Leitwand kann den Brenneröffnungsblock
von dem Brennerraum trennen. Eine Verbrennungsgasleitung kann sich
durch den Brennerraum hindurch erstrecken und mit der Kammer verbunden
sein. Die Brennstoffleitung kann innerhalb der Verbrennungsgasleitung
positioniert sein. Wirbelschaufeln können innerhalb der Verbrennungsgasleitung
positioniert sein und am Umfang im Abstand voneinander um die Brennstoffleitung
herum angeordnet sein. Eine Hilfsbrennstoffleitung kann sich durch
den Brennerraum hindurch erstrecken und mit dem Brenneröffnungsblock
verbunden sein. Die Hilfsbrennstoffleitung kann eine Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung definieren,
die radial im Abstand von der Brennstoffaustrittsöffnung angeordnet
und zu dem Brenneröffnungsblock
angrenzend ist. Die Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung kann an der von der
Luftöffnung
gegenüberliegenden
Seite der Brennermittelachse positioniert sein.
-
Der
Brennerraum kann wenigstens teilweise mit Wärmeübertragungsmedien gefüllt sein.
Alternativ kann der Brennerraum mit einem Wegeventil verbunden sein,
das konfiguriert ist, um Verbrennungsgas in eine Verbrennungsgasleitung
selektiv einzulassen. Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein
Verfahren der asymmetrischen Verbrennung.
-
Weitere
Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich,
wobei gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Teile bezeichnen.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Längsachse eines Regenerativbrenners
für asymmetrische
Verbrennung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 ist
eine Vorderansicht des in 1 gezeigten
Brenners;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Längsachse eines Rekuperativbrenners
für asymmetrische
Verbrennung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
-
4 ist
eine Vorderansicht eines Brenners für asymmetrische Verbrennung
mit einem verlängerten Brenneröffnungsblock
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Mit
Bezug auf 1 und 2 ist ein
Regenerativbrenner 10 für
asymmetrische Verbrennung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Brenner 10 weist
ein Brennergehäuse 11 auf.
Das Brennergehäuse 11 definiert
einen Hauptlufteinlass 12 und umschließt einen Brennerraum 14.
Der Hauptlufteinlass 12 ist in Fluidverbindung mit dem
Brennerraum 14. Der Raum 14 weist einen Freiraum 16 auf, der über einem
Bett aus Regenerativmedien 18 definiert ist. Das Medienbett 18 ist
innerhalb des Raumes 14 positioniert und füllt zumindest teilweise
den Raum 14. Das Medienbett 18 liegt auf einem
Siebgitter 20, das innerhalb des Raumes 14 gegenüber dem
Hauptlufteinlass 12 positioniert ist.
-
Eine
Leitwand 22 ist insgesamt zwischen dem Raum 14 und
einem Brenneröffnungsblock 24 positioniert.
Der Brenneröffnungsblock 24 ist
mit der Leitwand 22 verbunden. Eine Seitenwand 26 des
Brenneröffnungsblocks 24 hat
einen vorbestimmten Öffnungswinkel α, vorzugsweise
zwischen etwa 2° und
etwa 30°.
Der Brenneröffnungsblock 24 hat
eine lineare Dicke (l) und einen Innendurchmesser (d). Vorzugsweise
ist das Verhältnis
der linearen Dicke zu dem Innendurchmesser (1/d) größer als
oder gleich 0,6 und geringer als oder gleich 1,0. Die Leitwand 22 weist
ferner eine Leitwandfläche 28 auf.
-
Der
Brenner 10 hat eine geometrische oder Brennermittellinie 1.
Eine Brennstoffleitung 30 erstreckt sich in Längsrichtung
innerhalb des Brennergehäuses 11 und
ist koaxial zu einer relativ zu der geometrischen Mittellinie 1 versetzten
Mittellinie 2 positioniert, was dem Brenner 10 eine
asymmetrische Konfiguration gibt, d.h. die versetzte Mittellinie
oder Mittelachse 2 der Brennstoffleitung 30 ist
in einem Abstand von der geometrischen Mittellinie 1 des
Brenners 10 angeordnet. Die Brennstoffleitung 30 definiert
eine Brennstoffaustrittsöffnung 31.
Die Brennstoffleitung 30 ist bei der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform
innerhalb einer Verbrennungsgasleitung 32 eingesetzt. Die
Leitung 32 ist mit einer äußeren Quelle zum Zuführen von
Verbrennungsgas, wie Luft oder Brennstoffgas, verbunden, wie nachfolgend
weiter beschrieben ist.
-
Die
Leitwand 22 definiert eine Hauptstabilisierungskammer 34 direkt
stromabwärts
der Brennstoffaustrittsöffnung 31.
Die Kammer 34 ist über
die Brennstoffaustrittsöffnung 31 in
Fluidverbindung mit der Brennstoffleitung 30. Die Leitung 32 erstreckt
sich durch den Brennerraum 14 hindurch und ist mit der
Kammer 34 verbunden. wie in 1 gezeigt,
ist die Leitwand 22 konzentrisch um die Brennstoffleitung 30 herum
positioniert. Die Kammer 34 ist vorzugsweise zylinderförmig und
koaxial zu der Brennstoffleitung 30, kann jedoch auch abgeschrägte oder
konkave Seitenwände
haben und von der Brennstoffleitung 30 versetzt sein. Die
Leitwand 22 definiert eine Luftleitung 36, die
sich in das Brennergehäuse 11 hinein
erstreckt und mit dem Brennerraum 14 verbunden ist. Die
Luftleitung 36 definiert eine Luftöffnung 37. Die Luftleitung 36 und
die Luftöffnung 37 sind
an einer von der Brennstoffleitung 30 und der Brennstoffaustrittsöffnung 31 gegenüberliegenden
Seite der geometrischen Mittellinie 1 positioniert. Vorzugsweise
sind die Luftleitung 36 und die Luftöffnung 37 in einem
größeren Abstand
von der geometrischen Mittellinie 1 des Brenners 10 weg
als die Brennstoffleitung 30 und die Brennstoffaustrittsöffnung 31 positioniert.
Die Luftleitung 36 hat vorzugsweise eine Querschnittsform in
der Form eines Kreissegments, das durch eine Sehne definiert ist,
wie in 2 gezeigt ist, und weist eine Mittelachse 3 auf.
Außerdem
kann die Brennstoffleitung 30 parallel zu der Luftleitung 36 ausgerichtet
sein oder von dieser weg divergieren.
-
Der
Brenner 10 kann ferner mit einer Hilfsbrennstoffleitung 38 ausgestattet
sein. Die Hilfsbrennstoffleitung 38 definiert eine Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 zu
dem Brenneröffnungsblock 24.
Die Hilfsbrennstoffleitung 38 erstreckt sich durch den
Brennerraum 14 hindurch. Wie in 2 gezeigt,
sind die Hilfsbrennstoffleitung 38 und die Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 radial
im Abstand von der Brennstoffleitung 30 und der Brennstoffaustrittsöffnung 31 angeordnet.
Die Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 ist angrenzend
zu dem Brenneröffnungsblock 24.
Außerdem
sind die Hilfsbrennstoffleitung 38 und die Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 vorzugsweise
an der von der zuvor erläuterten
Luftleitung 36 und der Luftöffnung 37 gegenüberliegenden
Seite der geometrischen Mittellinie 1 positioniert. Die
Hilfsbrennstoffleitung 38 weist eine Mittelachse 4 auf,
wie in 1 gezeigt ist.
-
Eine
Reinigungstür 40 isst
in einer unteren Position des Brenners 10 positioniert
und öffnet
in das Medienbett 18 hinein. Eine Befülltür 42 dient als der
obere Bereich des Brenners 10 und schafft Zugang zu dem Medienbett 18 zum
Befüllen
und Ausgleichen des Medienbettes 18. Der Freiraum 16 ist über die
Luftleitung 36 und die Luftöffnung 37 in Fluidverbindung
mit dem Brenneröffnungsblock 24.
Wirbelschaufeln 44 können
in der Leitung 32 vorgesehen sein und am Umfang im Abstand
voneinander um die Brennstoffleitung 30 herum angeordnet
sein, wie in 3 gezeigt ist. Jedoch sind die
Wirbelschaufeln 44 in den in 1 und 3 gezeigten
Ausführungsformen
der Erfindung optional.
-
Beim
Betrieb tritt Verbrennungsluft in den Hauptlufteinlass 12 ein
und expandiert leicht in dem Brennerraum 14 zur Verteilung
durch das Siebgitter 20 hindurch. Die Verbrennungsluft
verbreitet sich dann durch das Medienbett 18 hindurch und
strömt
in den Freiraum 16 hinein. Brennstoff wird mit einer Geschwindigkeit
von zwischen etwa 122 und 366 m/s (400 und 1200 Fuß pro Sekunde)
durch die Brennstoffleitung 30 hindurch eingeführt und
tritt aus der Brennstoffaustrittsöffnung 31 entlang
der Mittelachse 2 der Brennstoffleitung 30 oder der
ersten Achse aus. Die Verbrennungsluft wird durch die Luftleitung 36 hindurch
auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die größer als 250 Fuß pro Sekunde
ist, und tritt aus der Luftöffnung 37 entlang
der Mittelachse 3 der Luftleitung 36 oder der
zweiten Achse aus.
-
Die
Geschwindigkeit der Verbrennungsluft liegt in dem Brennerraum 14 in
der Größenordnung
von 12–18
m/s (40–60
Fuß pro
Sekunde) und in dem Freiraum 16 in der Größenordnung
von 18–24
m/s (60–80 Fuß pro Sekunde).
-
Die
Verbrennungsluft tritt als ein Luftstrom aus der Luftöffnung 37 an
der Leitwandfläche 28 in
den Brenneröffnungsblock 24 hinein
aus. Der Luftstrom tendiert durch den Coanda-Effekt zu der Seitenwand 26 des
Brenneröffnungsblocks 24 mit
annähernd
dem Öffnungswinkel α hin. Der
austretende Luftstrom und der die Brennstoffaustrittsöffnung 31 verlassende
Brennstoff werden dann in der von dem Brenneröffnungsblock 24 definierten Öffnung gemischt
und gezündet.
Verbrennungsprodukte aus dem Verbrennungsprozess, welche durch Abgeben
von Wärme
in dem Prozess teilweise abgekühlt
wurden, werden in den aus der Luftöffnung 37 austretenden
Luftstrom und in den von der verbleibenden Blockierung der Leitwand 22 erzeugten
Hohlraum hinein zurückgeführt. Die
Hauptverbrennungsluft, welche die Luftöffnung 37 verlässt, wird
durch die zurückgeführten Verbrennungsprodukte
verunreinigt.
-
Wie
zuvor ausgeführt,
hat die Luftleitung 36 vorzugsweise eine Querschnittsform
in der Form eines Kreissegments, das durch eine Sehne definiert
ist, wie in 2 gezeigt ist. Somit definiert
die Luftöffnung 37 auch
eine solche Form. Die Leitwand 22 wirkt wie eine Sperre,
um das Medienbett 18 an der Stelle innerhalb des Brennerraums 14 in
dem Gehäuse 11 des
Brenners 10 zu halten. Die Sehnengeometrie der Luftöffnung 37 ist
dadurch vorteilhaft, dass sie die optimale Menge an Verbrennungsluftstrom
zu der Seitenwand 26 des Brenneröffnungsblocks 24 freigibt,
wodurch die Vorzüge
des Coanda-Effekts optimiert werden. Die Bemessung der Sehne, und
somit des Kreissegments, hängt
von den Parametern des Systems ab, in welchem der Brenner 10 verwendet
werden soll, wobei das Hauptgestaltungskriterium ist, dass die Sehne
entsprechend angeordnet sein muss, um eine Geschwindigkeit für die Verbrennungsluft
von 76 m/s (250 Fuß pro
Sekunde) oder mehr durch die Luftöffnung 37 hindurch
in den Brenneröffnungsblock 24 hinein
zu erreichen.
-
Ein
wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass sich die
Brennstoffleitung 30 und die Hilfsbrennstoffleitung 38 beim
Betrieb gegenseitig ausschließen.
Das heißt,
obwohl der Brenner 10 mit beiden konstruiert sein kann,
muss nur eine von der Brennstoffleitung 30 und der Hilfsbrennstoffleitung 38 zu
irgendeiner Zeit verwendet werden. Wenn die Hilfsbrennstoffleitung 38 verwendet
wird, wird der Brennstoff in die durch den Brenneröffnungsblock 24 definierte Öffnung entlang
der Mittelachse 4 der Hilfsbrennstoffleitung 38 oder der
dritten Achse eingespritzt.
-
In
einer Kaltstartsituation des Brenners 10, welche eintritt,
wenn die Ofentemperatur niedriger als 870°C (1600°F) ist, wird ein Teil der Verbrennungsluft
durch die Leitung 32 hindurch gefördert, entweder axial oder über die
Wirbelschaufeln 44, die in 3 gezeigt
sind. Somit wird ein Teil der Verbrennungsluft konzentrisch um den
von der Brennstoffeintrittsöffnung 31 eingespritzten
Brennstoffstrom herum und im Wesentlichen parallel dazu gefördert. Wie
zuvor ausgeführt,
sind die Wirbelschaufeln 44 in den Brennern 10 aus 1 und 3 optional.
Die Verbrennungsluft würde
dann von den Wirbelschaufeln 44 in die Hauptstabilisierungskammer 34 hinein
passieren. Brennstoff wird durch die Brennstoffleitung 30 hindurch
mit einer Geschwindigkeit eingeführt,
die vorzugsweise größer als
152 m/s (500 Fuß pro
Sekunde) ist. Wie zuvor ausgeführt,
kann die Brennstoffleitung 30 parallel zu der Luftleitung 36 sein
oder sie kann von dieser weg divergieren. Die divergente Anordnung erhöht die Verzögerung zum
Mischen des Brennerbrennstoffs und der Verbrennungsluft.
-
Nachdem
sich der Ofen auf eine Temperatur größer als 870°C (1600°F) aufwärmt, wird die zu der Leitung 32 geförderte Verbrennungsluft
auf weniger als 5% des stoichiometrischen Bedarfs zurück gedrosselt.
Die Hochgeschwindigkeits-Brennstoffleitung 30 erzeugt Bereiche
mit negativem Druck in der Kammer 34, wobei die resultierenden
Abgase in die Kammer 34 zurückgezogen werden und den Brennstoffstrom
vor Beginn der Verbrennung in dem Bereich des Brenneröffnungsblocks 24 verunreinigen.
Wie zuvor erwähnt,
wird die Hauptverbrennungsluft, welche die Luftöffnung 37 verlässt, durch
Rückführung der
Verbrennungsprodukte auch verunreinigt. Es wird angemerkt, dass
die Hauptverbrennungsluft, die in die Leitung 32 in dem
Brenner 10 aus 1 eintritt, während des
Kaltstarts nicht vorgewärmt
wird.
-
Andere
Merkmale der vorliegenden Erfindung, die in den 1 und 2 gezeigt
ist, werden nun erläutert.
Wenn die Massengeschwindigkeit durch den Raum 14 hindurch
hoch genug ist, um das Medienbett 18 aufzuwirbeln, können größere, schwerere
Medienbettelemente in dem oberen Abschnitt des Raum 14 platziert werden,
um das Medienbett 18 zurückzuhalten und dessen Aufwirbelung
zu verhindern. Außerdem
kann das in 1 gezeigte Siebgitter 20 in
einem Winkel zwischen Verbindungspunkten 50 und 52 geneigt
sein, um die Größe des Brenners 10 weiter
zu reduzieren. Diese besondere Variation ist durch die gestrichelte
Linie 54 in 1 dargestellt. Die benachbart
zu dem Medienbett 18 liegende Reinigungstür 40 ist
in einem Niedrigtemperaturbereich des Brenners 10 und benötigt demzufolge
keine Auskleidung. Der Freiraum 16 ermöglicht vorteilhaft, dass die
das Medienbett 18 verlassende Luft vor dem Beschleunigen
durch die Luftleitung 36 hindurch ausgeglichen wird. Umgekehrt
hat der Brenner 10 in seinem Auslasszyklus Verbrennungsprodukte,
die durch die Luftöffnung 37 und
die Luftleitung 36 hindurch in den Freiraum 16 zum
Ausgleich und zur Durchdringung des Medienbettes 18 zurückfeuern.
-
Die
in 1 und 2 gezeigte Brennerkonstruktion
ist vorteilhaft dadurch, dass die Leitung 32 und die Brennstoffleitung 30 innerhalb
des regenerativen Medienbettes 18 positioniert sind. Demzufolge
sind die Leitung 32 und die Brennstoffleitung 30 keinen
Verbrennungsprodukten mit hohen Temperaturen während des Auslasszyklus oder
hohen Lufttemperaturen während
des Feuerungszyklus des Brenners 10 ausgesetzt. Daher benötigen diese
Elemente keine Isolierung. Die Leitung 32 und die Brennstoffleitung 30 sind
durch das Medienbett 18 isoliert.
-
Mit
dem Brennstoff, der entlang der im Vergleich zu der geometrischen
Mittellinie 1 versetzten Mittellinie 2 eingeführt wird,
haben die Erfinder Testergebnisse erreicht, die darauf hinweisen,
dass NOx-Emissionsniveaus auf etwa 25% der Niveaus reduziert werden
können,
die durch Brenner erreicht werden, bei denen die Brennstoffleitung
koaxial zu der Brennermittellinie liegt und die zwei Luftschlitze
aufweisen, die symmetrisch um die Brennstoffleitung herum angeordnet
sind. Das bevorzugte Verhältnis
der linearen Dicke (l) zwischen der Leitwandfläche 28 und der heißen Fläche des
Brenneröffnungsblocks 24 im
Vergleich zu dem Innendurchmesser (d) der Öffnung in dem Brenneröffnungsblock 24 an
dessen Ende stromaufwärts
sollte gleich oder geringer als 1 sein, d.h. 1/d ≤ 1,0. Dies
stellt sicher, dass zurückgeführte Verbrennungsprodukte
ausreichend abgekühlt
wurden, bevor sie mit der Verbrennungsluft und dem Brennstoffgas
in Kontakt gelangen. Außerdem bewegt
dies die Verbrennungsreaktion weiter weg von der Brennerkopfstruktur,
was die Erzeugung von Strahlungswärme reduziert.
-
Eine
weitere Variation der vorliegenden Erfindung, die auch in 1 und 2 gezeigt
ist, wäre
es, den Brenneröffnungsblock 24 derart
zu konstruieren, dass der Öffnungswinkel α an dem oberen
Abschnitt des Brenneröffnungsblocks 24 in
der Nähe
der Luftöffnung 37 geringer
als der Öffnungswinkel α an dem unteren Ende
des Brenneröffnungsblocks 24 ist,
das näher
zu der Brennstoffleitung 30 und der Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 liegt.
Dies unterstützt
eine bessere Rückführung der
Verbrennungsprodukte zu dem Brennstoffstrom, der die Brennstoffaustrittsöffnung 31 oder
die Hilfsbrennstoffaustrittsöffnung 39 verlässt. Der
reduzierte Öffnungswinkel α in der Nähe der Luftöffnung 37 ist
in 1 durch die gestrichelte Linie 56 gezeigt
und ist durch den Winkel „α'" angezeigt. Bei der Verwendung der Hilfsbrennstoffleitung 38 könnte die
Hilfsbrennstoffleitung 38 axial oder konvergent bis zu
einem Winkel von 0 bis -α° angeordnet
sein. Die Anordnung der Hilfsbrennstoffleitung 38 hängt von
der gewünschten
Lage zum Einleiten der Mischung des Brennstoffgases mit der Verbrennungsluft
in der Öffnung
des Brenneröffnungsblocks 24 und
in den Verbrennungsofen hinein ab.
-
Mit
Bezug nunmehr auf 3 ist eine rekuperative Version
des Brenners 10 gezeigt, welche der regenerativen Version ähnlich ist,
die oben erläutert
ist. In dieser Ausführungsform
wurde das Medienbett 18 beseitigt, und ein Wegeventil 60 wurde
in den Brennerraum 14 eingebaut, was eine Verbindung zwischen
dem Inneren der Leitung 32 und dem Brennerraum 14 zur
selektiven Einführung
von Verbrennungsgas, wie Luft, in die Leitung 32 schafft.
Das Wegeventil 60 kann von einem Motor 62 gesteuert
werden. Verbrennungsluft tritt in den Lufteinlass 12 von
einem äußeren Rekuperator
(nicht gezeigt) ein, dessen Details für jemanden in der Technik Erfahrenen
wohl bekannt sind. Das Wegeventil 60 ist nur während der
Kaltstartphase offen (d.h. Ofentemperatur geringer als 870°C (1600°F)). Freiräume um das
Wegeventil 60 herum erlauben eine vorbestimmte Menge an
Leckage, welche etwa bis zu 10% des stoichiometrischen Bedarfs der
Verbrennungsluft durch die Leitung 32 hindurch zuführt, wenn
das Wegeventil 60 geschlossen ist. In der rekuperativen
Version des Brenners 10 werden die Primärluft, die in die Kammer 34 eintretende
Luft und die durch die Luftöffnung 37 hindurch tretende
Sekundärluft
vorgewärmt.
Die Wirbelschaufeln 44 sind in dieser Ausführungsform
des Brenners 10 auch optional, wie zuvor ausgeführt ist.
-
Wie
für jemanden
in der Technik Erfahrenen ersichtlich, ist die vorliegende Erfindung
gleichermaßen für sowohl
rekuperative als auch regenerative Anwendungen einsetzbar. Ob ein
Benutzer die rekuperative oder regenerative Version wählt, hängt zum
großen
Teil von den Raumbegrenzungen für
den Ofen ab, bei welchem der Brenner 10 verwendet werden
soll. Die rekuperative Version erfordert im Allgemeinen weniger
Raum als die regenerative Version.
-
Die
Luftgeschwindigkeit wird durchweg größer als oder gleich 76 m/s
(250 Fuß pro
Sekunde) gehalten. Sobald die Temperatur in dem Ofen 870°C (1600°F) überschreitet,
wird die Gaszufuhr durch die Leitung 32 hindurch abgesperrt.
Das gesamte stoichiometrische Brennstoffgas verlässt dann die Brennstoffleitung 30 mit einer
Geschwindigkeit, die größer als
152 m/s (500 Fuß pro
Sekunde) ist.
-
4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
des Brenners 10. Der in 5 gezeigte
Brenner 10 weist einen verlängerten Brenneröffnungsblock 24 auf.
Diese Konfiguration schafft eine weitere Trennung zwischen der Brennstoffaustrittsöffnung 31 und
der Luftöffnung 37.
Die vergrößerte Trennung
erlaubt, dass zusätzliches Ofenabgas
in den Bereich zwischen dem die Brennstoffaustrittsöffnung 31 verlassenden
Brennstoffstrom und dem die Luftöffnung 37 verlassenden
Luftstrom zurückgeführt wird.
Die Verbrennung wird innerhalb der Ofenwand in einer herkömmlichen
Weise gestartet, und der in 5 gezeigte
Brenner 10 arbeitet in einer ansonsten zu den oben erläuterten
Brennern 10 ähnlichen
Weise. Die Erprobung der in 4 gezeigten
Konfiguration zeigt, dass ein Winkel an dem Brennstoffstrom 31 von
dem Luftstrom weg mit zwischen etwa 3° und 10° eine geringere NOx-Produktion
als bei dem parallel zu dem Luftstrom verlaufenden Brennstoffstrom
fördert.
-
Die
Erfinder haben die rekuperative Version des in
3 gezeigten
Brenners
10 geprüft.
Eine Tabelle von tatsächlichen
Versuchsergebnissen folgt: Tabelle
1
-
Tabelle
1 zeigt, dass mit dem Öffnungswinkel α bei 2,8° eine NOx-Reduzierung
von 50% im Vergleich zu symmetrischer Verbrennung mit einem Brenner
beobachtet wurde, bei dem ein Brennstoffstrom axial entlang der
Mittellinie des Brenners angeordnet ist und zwei symmetrische Luftströme radial
im Abstand von dem Brennstoffstrom in der herkömmlichen Konfiguration angeordnet
sind. Ferner, wenn der Öffnungswinkel α gleich 30° war, wurde
eine NOx-Reduzierung von 75% im Vergleich zu demselben Typ des symmetrischen oder „axialen" Brenners realisiert.
Die Ergebnisse für
einen herkömmlichen
Weg unter Verwendung einer herkömmlichen
Konfiguration sind zum Vergleich in Tabelle 1 gezeigt.
-
Die
Konfiguration der Luftöffnung 37 in
der Form eines Kreissegments, das durch eine Sehne definiert ist,
ist aus zwei zusätzlichen
Gründen
vorteilhaft. Erstens ist diese Konfiguration einfacher in der Leitwand 22 zu
formen. Zweitens schafft die Sehnenkonfiguration eine bessere Sperre
für die
Elemente in dem Medienbett 18 bei der regenerativen Version
der Erfindung.
-
Weitere
Variationen und Modifikationen der oben beschriebenen Erfindung
können
vorgenommen werden, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
