DE3852651T2

DE3852651T2 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer hochlichtgebenden flamme.

Info

Publication number: DE3852651T2
Application number: DE3852651T
Authority: DE
Inventors: Gregory Michael Duluth Ga 30136 Gitman
Original assignee: American Combustion Inc
Current assignee: American Combustion Inc
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2008-09-03
Also published as: AU644350B2; EP0432153A1; WO1990002907A1; KR900702298A; AU2537888A; KR0152648B1; BR8807917A; JPH04500265A; DE3852651D1; EP0432153B1; EP0432153A4

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Flammen hoher Temperatur mit hoher Leuchtkraft und geringem NOx-Gehalt, die fluide Brennstoffe nutzen. Das offenbarte Verfahren und die offenbarte Vorrichtung können als Hauptenergiequelle und auch als unterstützende Energiequelle bei Schmelzöfen, industriellen Wärme- und Wärmebehandlungsöfen, Trockenöfen, Müllverbrennungsöfen und anderen Hochtemperaturanwendungen benutzt werden.
Industrielle Öfen für Hochtemperaturerhitzung- (mehr als 982ºC [1800ºF]) und Schmelzanwendungen verwenden im allgemeinen gasförmige Brennstoffe wie Erdgas. Wenn Umgebungsluft (insbesondere vorerwärmte Luft) als Oxidator verwendet wird, sind die Gasflammen normalerweise blau mit einer sehr geringen Leuchtkraft, wodurch der Wärmeaustausch zwischen der Flamme und den Bestandteilen des Ofens verringert wird. Im Vergleich ergeben leuchtende Ölflammen in vielen Fällen einen um 25% geringeren Brennstoffverbrauch und eine Abnahme der Abgastemperaturen.
Ein gut bekannter Ansatz bei der Verbrennung ist die Verwendung von Sauerstoff, um die Aufheizeffizienz aufgrund der höheren Flammentemperatur und des geringeren Volumens der Abgase zu steigern. Die bekannten Verfahren zum Einbringen des Sauerstoffs in einen Verbrennungsprozeß mittels Einblasens von Sauerstoff in die Verbrennungsluft, allgemein Sauerstoffanreicherung genannt, ergeben allerdings eine noch weitere Reduzierung der Flammenleuchtkraft und einen Anstieg der NOx-Emissionen aufgrund der Oxidation des Stickstoffs durch Sauerstoff im Inneren der Flamme mit erhöhter Temperatur. Die Steuerung des Verhältnisses zwischen Brennstofffluß und dem Fluß angereiherter Luft ist ähnlich der Standardsteuerung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Während des Heizprozesses ist das Verhältnis Gesamtluft zu Gesamtsauerstoff normalerweise konstant.
US-A 3,729,285 von Schwedersky offenbart ein mehrstufiges Verfahren zur Verbrennung gasförmiger Brennstoffe im Inneren des Brennerrohres, bei dem zwei Brennstoffströme mit zugehörigen Luftströmen separat gesteuert, der Brennkammer zugeführt und verbrannt werden, bevor die Verbrennungsprodukte zur Erzeugung einer Flamme mit geringem NOx-Gehalt miteinander vermischt werden. Um in dem Brenner eine stabile Pyrolyse mit Luft mit einem N&sub2;-Gehalt von etwa 78% bewerkstelligen zu können, müßte das Verhältnis von Oxidator zu Brennstoff mindestens 75% des stöchiometrischen Verhältnisses betragen, um während der teilweisen Verbrennung des pyrolysierenden Brennstoffs eine ausreichende Wärmefreigabe sicherzustellen, da die in den N&sub2;-Molekülen in der Pyrolysezone gespeicherte Wärme für die Pyrolyse nicht verfügbar ist. Dieser verdünnte Flammenkern reduziert die Flammentemperatur innerhalb dieses Kerns und besitzt auch ein relativ geringes Luftdefizit, wodurch die Möglichkeit einer signifikanten Bildung von Kohlenstoff-Mikropartikeln der richtigen, zur Erzielung einer hinreichenden Flammenleuchtkraft benötigten Größe ausgeschaltet ist. Diese Erfindung kann daher in der Praxis die Pyrolyse nicht nutzen, da der meiste Brennstoff zum Erzeugen von Wärme genutzt wird und nur wenig Brennstoff zur Pyrolyse übrig bleibt.
Die für ein maximales Emissionsvermögen benötigten Kohlenstoff-Mikropartikel liegen im Größenbereich von 0,05 bis 4,0 Mikrometern, und es konnte gezeigt werden, daß die Bildung dieser Partikel in diesem Größenbereich bei einer Temperatur von mehr als 1649ºC (3000ºF) optimiert ist, die ohne eine hohe Konzentration von Sauerstoff in dem oxidierenden Gas nicht erreichbar ist. Bei den Niedertemperaturenbedingungen von Schwedersky erzeugen überschüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe vorwiegend mehr Kohlenwasserstoff-Radikale als zur Erhöhung der Flammenleuchtkraft fähige Kohlenstoffpartikel. Auch reduziert eine geringe Flammenkerntemperatur die Leuchtfähigkeit dieser Partikel beträchtlich. Die durch das Schwerdersky-Patent vorgeschlagene Flamme weist geringere NOx- Emissionen als andere Flammen auf, aber aufgrund der geringen Temperatur der Flammenhülle zeigt sie auch einen geringen Strahlungswärmefluß.
Da in solchen Systemen das Verhältnis des Gesamtsauerstoffs zum Gesamtbrennstoff nicht variabel ist, ist das Abgasvolumen pro Joule Wärmeenergie bei Standardbedingungen während des gesamten Feuerungsprozesses fest. Die Temperatur innerhalb der hitzebeständigen Brennkammer ist aufgrund der mehrstufigen Verbrennung leicht reduziert. Das Schwedersky-Patent beschreibt auch einen Brenner, der mehr als einen oxidierenden Strom zur mehrstufigen Verbrennung verwendet, aber nicht die Fähigkeit zur Verwendung reinen Sauerstoffs besitzt, was aufgrund der Tatsache klar wird, daß Metall, wie es in der Brennkammer verwendet wird, die Temperatur einer reinen Sauerstoff verwendenden Flamme nicht überstehen könnte. Es offenbart auch nicht eine Anreicherung mit oder die Verwendung von reinem Sauerstoff.
WO-A-8601131 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hochtemperaturerhitzen, Schmelzen, Raffinieren und Überhitzen von Materialien.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verbrennung brennbaren Materials in einem Brenner, der eine Brennkammer mit einem mehrstufigen Brenner aufweist, in dem sowohl Brennstoff als auch Luft abgestuft sind, damit sich eine brennstoffreiche primäre Flamme und eine brennstoffarme sekundäre Flamme ergibt, angegeben, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
brennbares Material, ein erstes oxidierendes Gas mit einer gegebenen Sauerstoffkonzentration und ein zweites oxidierendes Gas mit einer von dem ersten oxidierenden Gas abweichenden Sauerstoffkonzentration werden separat dem Brenner zugeführt;
das erste oxidierende Gas und ein erster Teil des brennbaren Materials werden separat in die Brennkammer gerichtet, so daß sich der erste Teil des brennbaren Materials und das erste oxidierende Gas zumindest teilweise innerhalb der Brennkammer vermischen, um einen heißen, sauerstoffarmen, lichtgebenden Flammenkern zu erzeugen;
ein zweiter Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas werden separat in die Brennkammer gerichte, so daß sich der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas zumindestens teilweise innerhalb der Brennkammer vermischen, um mindestens einen sauerstoffreichen Gemischstrom zu erzeugen; und
der sauerstoffarme Flammenkern wird mit dem mindestens einen sauerstoffreichen Gemischstrom vermischt, um ein endgültiges, stark lichtgebendes Flammenmuster zu erzeugen, das sich aus der Brennkammer herauserstreckt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein Brenner zur Verbrennung eines brennbaren Materials, um eine stark lichtgebende Flamme hoher Temperatur zu erzeugen, angegeben, der folgendes umfaßt:
eine Brennkammer mit einer Auslaßöffnung;
Mittel, um dem Brenner brennbares Material, ein erstes oxidierendes Gas mit einer gegebenen Sauerstoffkonzentration und ein zweites oxidierendes Gas mit einer von dem ersten oxidierenden Gas abweichenden Sauerstoffkonzentration separat zuzuführen;
erste Mittel, um das erste oxidierende Gas und einen ersten Teil des brennbaren Materials separat in die Brennkammer zu richten, so daß sich der Teil des brennbaren Materials und das erste oxidierende Gas zumindest teilweise innerhalb der Brennkammer vermischen, um einen Flammenkern zu erzeugen;
gekennzeichnet durch:
zweite Mittel, um einen zweiten Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas separat in die Brennkammer zu richten, so daß sich der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas zumindest teilweise vor dem Vermischen mit dem Flammenkern miteinander vermischen, wobei die zweiten Mittel eine erste Mehrzahl von Durchgangsöffnungen, die um die Mittelachse der Brennkammer herum angeordnet und auf diese gerichtet sind, um den zweiten Teil des brennbaren Materials auszurichten, sowie eine zweite Mehrzahl von Durchgangsöffnungen umfassen, die um die Mittelachse der Brennkammer herum angeordnet und auf diese gerichtet sind, um das zweite oxidierende Gas auszurichten, wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf eine Stelle unterhalb der Stelle gerichtet sind, an der das erste oxidierende Gas und der erste Teil des brennbaren Materials sich miteinander vermischen; und
eine hinreichende Länge der Brennkammer, so daß der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas sich anschließend mit dem Flammenkern vermischen, um das endgültige Flammenmuster zu erzeugen.
Die Verwendung einer hohen Sauerstoffkonzentration in dem ersten oxidierenden Gas ermöglicht es, die Temperatur der Kohlenstoff-Mikropartikel und die Konzentration dieser Partikel (aufgrund des geringen Abgasvolumens) zu erhöhen, so daß sich der Strahlungsfluß von der endgültigen Flamme auf das zu erhitzende Produkt beträchtlich erhöht. Eine effektive Pyrolyse von Erdgas muß derart stattfinden, daß die Temperatur der gesamten Pyrolysezone oberhalb von 1316ºC (2400ºF) gehalten wird. Unterhalb dieser Temperatur neigt das Methan dazu, statt reiner Kohlenstoffpartikel Benzole und andere Kohlenwasserstoffe zu bilden. Die Strahlung reiner Kohlenstoffpartikel leistet einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtleuchtkraft der mittels des hier beschriebenen Brenners erzeugten Flamme. Wie bereits erwähnt, muß die Größe dieser Partikel im Bereich von 0,05 bis 4,0 Mikrometern liegen, um eine maximale Strahlung im sichtbaren und infraroten Teil des Spektrums zu liefern. Diese Erscheinung dominiert bei höheren Temperaturen (oberhalb 1649ºC [3000ºF)), wie sie in dem hier beschriebenen Brenner vorliegen. Diese Strahlung erfolgt zusätzlich zu der Strahlung heißer CO&sub2;- und H&sub2;O-Moleküle aus den Verbrennungsprodukten, welche typisch ist für Flammen aus Kohlenwasserstoff-Brennstoffen. Durch die Erzeugung zusätzlicher Wärme in dem die Pyrolysezone umgebenden Raum wird die Brennstoffpyrolyse verstärkt und die Temperatur der Kohlenstoff-Mikropartikel erhöht, um einen höheren Strahlungswärmefluß aus dem Flammenmuster zu erzeugen.
Der zusätzliche Wärmefluß der stark leuchtenden Flamme ergibt eine Reduktion der Temperatur der Verbrennungsprodukte vor deren Kontakt mit der Ofencharge, was die Oxidation der Ofencharge verringert. Es kann daher ein größerer Anteil der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme bei einer gegebenen Prozeßtemperatur auf die Ofencharge übertragen werden, da mittels der oben angegebenen gleichzeitig stattfindenden parallelen mehrstufigen Verbrennung eine höhere Temperatur und Leuchtkraft der Flammenhülle erzeugt wird.
Der durch dieses Verbrennungsverfahren erzeugte geringe NOx- Gehalt ist auf die sehr geringe Stickstoffkonzentration des ersten oxidierenden Gases (bevorzugt reiner Sauerstoff) zurückzuführen, das in dem Flammenkern vorhanden ist, wo die hohe Konzentration an CO und Kohlenwasserstoffen ebenfalls die Stickstoffoxidation verhindert. Zusätzlich besitzen die mehreren, den zentralen Flammenkern umgebenden brennstoffarmen Flammen (beispielsweise verdünnt mit einem Überschuß an O&sub2; und N&sub2;) kein hinreichend großes Flammenmuster, um die Temperatur innerhalb ihrer einzelnen Flammenkerne auf mehr als 1482º (2700ºF) zu erhöhen und so die NOx-Bildung zu starten. Die Struktur der endgültigen Flamme mit einem zentralen Hochtemperaturkern mit sehr geringer Stickstoffkonzentration verhindert, daß die NOx-Konzentration während der Endstufe der Verbrennung innerhalb und außerhalb des Brennerrohres ansteigt.
Eine einzige Brennstoffquelle kann den Brennstoff sowohl für die zentralen brennstoffreichen als auch für die äußeren brennstoffarmen Flammen oder Gemische liefern. Um den Brennstoff mit den ersten und zweiten oxidierenden Gasströmen zu vermischen, kann der Brennstoff durch zwei getrennt gerichtete Düsensätze eingeführt werden, wobei der eine Teil auf eine Vermischung mit dem zentralen Flammenkern gerichtet ist und der andere Teil auf eine Vermischung mit dem die zentrale Zone umgebenden zweiten oxidierenden Gas gerichtet ist. Die Dimensionierung der Durchgangsöffnungen zum Einführen der Brennstoffströme und ihre Ausrichtungen bestimmen deren relatives Volumen und den Grad der Vermischung mit dem Oxidator. Die Flammengeschwindigkeit und -temperatur und das Volumen der Verbrennungsprodukte können beispielsweise bei gegebenem Wärmeenergie-Eingangswert durch die Einstellung des Verhältnisses zwischen Luft und Sauerstoff in den oxidierenden Gasen verändert werden, wobei die beiden Brennstoffflüsse in einem festen Verhältnis zueinander gehalten werden.
Der Brennstoff (beispielsweise Erdgas) kann dem Brenner auch in Form zweier getrennter Ströme zugeführt werden, und in diesem Fall können die Flammeneigenschaften durch eine getrennte Steuerung der Brennstoffflüsse, die dem Brenner über getrennte Leitungen zugeführt werden, verändert werden. Bei einer solchen Trennung des Brennstoffs können zwei verschiedene Brennstoffe gleichzeitig für die Verbrennung verwendet werden. Beispielsweise kann in der zentralen Pyrolysezone ein flüssiger Brennstoff verwendet werden, und in der Peripheriezone mit geringerem Brennstofffluß kann Koksofen- oder Erdgas verwendet werden.
Wenn für eine bestimmte Anwendung eine Flamme mit geringerer Temperatur gewünscht wird, sollte weniger Sauerstoff verwendet werden als für die vollständige Pyrolyse des Brennstoffs notwendig ist. In diesen Fällen wird die zur Verwendung in dem Verbrennungsprozeß zugeführte Menge an reinem Sauerstoff beispielsweise auf ein Verhältnis von reinem Sauerstoff zu Luft von unter 0,2 reduziert. Unter diesen Bedingungen, bei denen weniger Sauerstoff für die Pyrolyse zur Verfügung steht, kann das Energiegleichgewicht in der Pyrolysezone kritisch werden, und man richtet zur Unterstützung geeigneter Temperaturbedingungen in der Pyrolysezone mehr Brennstoff in die brennstoffarme Zone, wodurch die pyrolysierte Brennstoffmenge verringert und so die Temperatur sowohl in der Pyrolysezone als auch in der umgebenden, von den brennstoffarmen Flammen eingenommenen Zone erhöht wird. Die vorliegende Erfindung kann somit in einem breiten Anwendungsbereich genutzt werden, wenn eine stark lichtgebende Flamme erwünscht ist.
Der hohe Strahlungsfluß aus der Pyrolysezone kann die Temperatur innerhalb der Brennkammer auf einen Wert erhöhen, bei dem die der Strahlung ausgesetzten Metallteile innerhalb der Brennkammer sich zersetzen. Daher kann bei bestimmten Ausführungen der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeitskühlung der so exponierten Brennerteile notwendig sein.
Der Brenner und das Verbrennungsverfahren können auch zur Veraschung von fluiden gefährlichen Abfällen mit hohem oder niedrigem Heizwert genutzt werden. In diesem Fall kann statt einem der Brennstoffströme, vorzugsweise statt des zentralen Stroms flüssiger Abfall eingeführt werden. Die Verwendung von Sauerstoff in diesem Fall läßt das Flammenmuster heißer und das oxidierende Gas sauerstoffreicher werden und verbessert so die thermische Abbaueffizienz des Flammenmusters. Die Anwendung dieses Ansatzes bei Brennstoffen mit geringem Heizwert, wie Deponiegas, hat ähnliche Vorteile.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Verbrennungsprozeß und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer variablen, stark lichtgebenden Flamme hoher Temperatur mit geringer NOx-Emission anzugeben, bei dem gasförmige und flüssige Materialien mit Sauerstoff und Luft verbrannt werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitig stattfindenden parallelen mehrstufigen Verbrennung anzugeben, das so gesteuert werden kann, daß Brennstoff und Sauerstoff in einem Heizprozeß effizienter verwendet werden.
Diese Aufgaben und Vorteile werden aus den folgenden Beschreibungen mit Bezug auf die Zeichnungen deutlich, die zeigen:
Fig. 1 eine Querschnitt-Seitenansicht durch das Zentrum eines Brenners gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 1;
Fig. 4 eine Querschnitt-Seitenansicht eines Brenners gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Querschnitt-Seitenansicht durch das Zentrum eines Brenners gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Querschnitt-Seitenansicht durch das Zentrum eines Brenners gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen in den Ansichten ähnliche Teile kennzeichnen.
Fig. 1 zeigt Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der Brenner 10 umfaßt eine Düsenanordnung 11, die Durchgangsöffnungen umfaßt, welche Ströme von oxidierenden Gasen und Brennstoff in die Brennkammer 12 zur Verbrennung richten. Die Brennkammer 12 der Fig. 1 kann sich innerhalb der Wandung eines Ofens oder einer anderen Vorrichtung zur industriellen Erwärmung befinden.
Im einzelnen tritt ein Oxidator mit hoher Sauerstoffkonzentration durch eine zentrale Durchgangsöffnung 13 entlang der Mittellinie der Brennkammer 12 in diese ein. Beispielsweise leitet man reinen Sauerstoff oder ein oxidierendes Gas, das einen höheren Prozentsatz an Sauerstoff als Luft enthält, durch das zentrale Rohr 14 auf die Durchgangsöffnung 13. Luft oder ein oxidierendes Gas mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration als der erste Oxidator treten als ein zweiter Oxidatorstrom aus dem Lufteinlaß 15 durch Lufteinlaßöffnungen 16, von denen dieses Ausführungsbeispiel acht aufweist, in die Brennkammer ein. Die Lufteinlaßöffnungen 16 sind auf die zentrale Achse der Brennkammer 12 gerichtet, um ein kräftiges Vermischen des zweiten oxidierenden Gases mit dem Brennstoff zu fördern. Weiterhin können die Lufteinlaßdurchgänge eine Isolation 17 umfassen, wenn ein vorerwärmtes zweites oxidierendes Gas benutzt wird.
Fluider Brennstoff, beispielsweise Erdgas, wird aus einem Brennstoffeinlaßrohr 18 eingelassen, das mit den Brennstoffdurchgangsöffnungen 19 und 20 verbunden ist. Die Brennstoffdurchgangsöffnungen 19, von denen bei diesem Ausführungsbeispiel vier vorhanden sind, werden verwendet, um Ströme des Hauptteils des Brennstoffs in Richtung auf den ersten Oxidator einzuführen und so für eine kräftige Durchmischung zu sorgen. Die Durchgangsöffnungen 20 für den kleineren Brennstofffluß dienen dazu, den kleineren Teil des Brennstoffflusses auf die Ströme des zweiten Oxidators mit geringerer Sauerstoffkonzentration aus den Durchgangsöffnungen 16 zu richten. Die Durchgangsöffnungen 20 für den geringeren Treibstofffluß weisen eine kleinere Querschnittsfläche als die Durchgangsöffnungen 19 auf, so daß die relativen Volumina des auf jeden Oxidatorstroms gerichteten Brennstoffs automatisch gesteuert werden. Bevorzugt sind die kleineren Brennstofföffnungen 20 parallel zur Mittellinie des Brenners angeordnet.
Auf diese Weise werden zwei verschiedene Flammensysteme geschaffen: ein heißer zentraler Kern, der einen Oxidator mit einer hohen O&sub2;-Konzentration enthält und ein hohes Verhältnis Brennstoff zu Oxidator aufweist, umgeben von einem brennstoffarmen Brennstoff-Oxidator-Gemisch, das einen Oxidator mit einer geringeren O&sub2;-Konzentration umfaßt, der mit den kleineren Brennstoffströmen vermischt ist.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die verschiedenen Oxidator- und Brennstoffeinlaßdurchgänge. Die Durchgänge sind konzentrische Rohre, wobei ein inneres Einlaßrohr 14 die Zufuhreinrichtung für den Oxidator hoher Konzentration, ein mittleres Rohr 18 die Zufuhreinrichtung für den Brennstoff und ein äußeres Rohr 15 die Zufuhreinrichtung für Luft ist, wie oben beschrieben.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Brennerfrontfläche 11, der die Anordnung und relative Größe der verschiedenen oben beschriebenen Durchgangsöffnungen zeigt.
Fig. 4 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Brennerfrontfläche dar, das eine Wasserkühlung enthält. Bei Hochtemperaturanwendungen, bei denen die benötigte Flammentemperatur sehr hoch ist oder die Verbrennungsprodukte in einen Prozeß sehr hoher Temperatur abgegeben werden, kann eine Wasserkühlung der Brenneranordnung notwendig sein. Dies ist in der Fig. 4 mittels eines Wasserkühlungseinlasses 25 dargestellt, der mit einem Wasserkühlungsauslaß 26 in Verbindung steht. Mittels geeigneter Umlenkbleche innerhalb der Düsenanordnung 11 wird für eine korrekte Zirkulation des Wasser gesorgt.
In Fig. 5 enthält ein Ausführungsbeispiel des Brenners ein vollständig wassergekühltes Verbrennungsrohr 30, das geeignet ist, falls eine extrem heiße Hochgeschwindigkeitsflamme innerhalb der Brennkammer erzeugt wird oder falls der Ofen, an dem die Brennereinheit installiert ist, eine beträchtliche Hitzemenge auf den Brenner zurückübertragen kann. Zusätzliche Merkmale des in dieser Figur gezeigten Ausführungsbeispiels sind der Wassermantel 31 des Verbrennungsrohres 30, das Kühlungsumlenkblech-Überstromloch 32, ein Flammendetektorkanal 33 und eine Zündkerze 34 zur Entzündung. Die wassergekühlte Düse 35 ist dafür ausgebildet, die vom Brenner erzeugte heiße Flamme zur Erzielung einer hohen Geschwindigkeit zu stauen. Ansonsten ist der Brenner den bereits beschriebenen anderen Anordnungen ähnlich.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennerkonstruktion für zwei Brennstoffe gezeigt, das Luftvorerwärmung verwendet. Diese Variante ermöglicht es, Öl oder andere Flüssigkeiten als Brennstoff zu verfeuern. Zum Beispiel wird Öl durch das Rohr 40 zugeführt, während ein Zerstäubungsgas durch ein anderes Rohr 41 eintritt. Das Öl und das Zerstäubungsgas fließen durch die Zerstäubungsdüse 42, welche mittels Kontakt mit der wärmeleitenden Brennerplatte 43 gekühlt wird, die wiederum mittels Kontakt mit dem Kühlwassermantel 44 gekühlt wird. Die konisch geformte Öldüse 42 und die daran angebrachten Rohre 40 und 41 können zur Wartung und Inspektion von der Rückseite des Brenners entfernt werden. Sauerstoff tritt durch Durchgangsöffnungen 50 ein, die auf die Mittellinie des Brenners gerichtet sind. Der Sauerstoff wird den Durchgangsöffnungen 50 durch ein Einlaßrohr 47 zugeführt. Gas oder ein anderer Brennstoff wird in einem Einlaß 48 Brennstoffdurchgangsöffnungen 51 zugeführt, die parallel zu der Mittellinie des Brenners und weiter entfernt von dieser Mittellinie als die Sauerstoffdurchgangsöffnungen 50 angeordnet sind. Luft, die vorerwärmt sein kann, wird in den Brenner über einen Einlaß 15 und durch Durchgangsöffnungen 16 eingeleitet, die die Luft auf das Gas innerhalb der Brennkammer richten, um die äußeren Flammenkerne zu erzeugen. Um den zentralen Bereich des Brenners herum kann eine Isolation 45 vorgesehen sein, um einen Wärmeverlust der vorerwärmten Luft aufgrund eines Kontaktes mit dem Kühlwassermantel zu verhindern. Zwischen dem Einlaßrohr 47 und dem Einlaß 15 ist ein interner Entnahmeweg 46 vorgesehen, um zur Sauerstoffanreicherung der Luft etwas von dem reinen Sauerstoff in die erwärmte Luft einzuleiten.

Claims

1. Verfahren zur Verbrennung brennbaren Materials in einem Brenner, der eine Brennkammer (12) mit einem mehrstufigen Brenner aufweist, in dem sowohl Brennstoff als auch Luft abgestuft sind, damit sich eine brennstoffreiche primäre Flamme und eine brennstoffarme sekundäre Flamme ergibt,

wobei brennbares Material (18), ein erstes oxidierendes Gas (14) mit einer gegebenen Sauerstoffkonzentration und ein zweites oxidierendes Gas (15) mit einer von dem ersten oxidierenden Gas abweichenden Sauerstoffkonzentration separat dem Brenner zugeführt werden;

und wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

das erste oxidierende Gas und ein erster Teil des brennbaren Materials werden separat in die Brennkammer (12) gerichtet (13, 19), so daß sich der erste Teil des brennbaren Materials und das erste oxidierende Gas zumindest teilweise innerhalb der Brennkammer (12) vermischen, um einen heißen, sauerstoffarmen, lichtgebenden Flammenkern zu erzeugen;

ein zweiter Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas werden separat in die Brennkammer (12) gerichtet (20, 16), so daß sich der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas zumindest teilweise innerhalb der Brennkammer (12) vermischen, um mindestens einen sauerstoffreichen Gemischstrom zu erzeugen; und

der sauerstoffarme Flammenkern wird mit dem mindestens einen sauerstoffreichen Gemischstrom vermischt, um ein endgültiges, stark lichtgebendes Flammenmuster zu erzeugen, das sich aus der Brennkammer (12) herauserstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Teile des brennbaren Materials jeweils erste und zweite brennbare Materialien umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem eine Vielzahl von sauerstoffreichen Gemischströmen den Flammenkern umgeben.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sauerstoffkonzentration des ersten oxidierenden Gases höher ist als die Sauerstoffkonzentration des zweiten oxidierenden Gases.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das erste oxidierende Gas reiner Sauerstoff ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem das zweite oxidierende Gas Luft ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste oxidierende Gas entlang der Mittelachse der Brennkammer (12) gerichtet (13) ist und der erste Teil des brennbaren Materials auf das erste oxidierende Gas gerichtet (19) ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste oxidierende Gas eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die hinreichend ist, um die Temperatur des Flammenkerns 1315ºC (2400ºF) übersteigen zu lassen.

9. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem weiter das zweite oxidierende Gas vor der Verbrennung mit dem ersten oxidierenden Gas angereichert wird, indem ein Teil des ersten oxidierenden Gases in das zweite oxidierende Gas umgeleitet (46) wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, das weiter den Verfahrensschritt der Kühlung (11, 31, 35) eines Bereichs der Brennkammer (12) mit einer Flüssigkeit umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste Teil des brennbaren Materials gasförmig ist und der zweite Teil flüssig ist.

12. Brenner zur Verbrennung eines brennbaren Materials, um eine stark lichtgebende Flamme hoher Temperatur zu erzeugen, der folgendes umfaßt:

eine Brennkammer (12) mit einer Auslaßöffnung;

Mittel, um dem Brenner brennbares Material (18), ein erstes oxidierendes Gas (14) mit einer gegebenen Sauerstoffkonzentration und ein zweites oxidierendes Gas (15) mit einer von dem ersten oxidierenden Gas abweichenden Sauerstoffkonzentration separat zuzuführen;

erste Mittel (13, 19), um das erste oxidierende Gas und einen ersten Teil des brennbaren Materials separat in die Brennkammer (12) zu richten, so daß sich der Teil des brennbaren Materials und das erste oxidierende Gas zumindest teilweise innerhalb der Brennkammer (12) vermischen, um einen Flammenkern zu erzeugen;

gekennzeichnet durch:

zweite Mittel (20, 16), um einen zweiten Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas separat in die Brennkammer (12) zu richten, so daß sich der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas zumindest teilweise vor dem Vermischen mit dem Flammenkern miteinander vermischen, wobei die zweiten Mittel (16, 20) eine erste Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (20), die um die Mittelachse der Brennkammer herum angeordnet und auf diese gerichtet sind, um den zweiten Teil des brennbaren Materials auszurichten, sowie eine zweite Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (16) umfassen, die um die Mittelachse der Brennkammer herum angeordnet und auf diese gerichtet sind, um das zweite oxidierende Gas auszurichten, wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf eine Stelle unterhalb der Stelle gerichtet sind, an der das erste oxidierende Gas und der erste Teil des brennbaren Materials sich miteinander vermischen; und

eine hinreichende Länge der Brennkammer, so daß der zweite Teil des brennbaren Materials und das zweite oxidierende Gas sich anschließend mit dem Flammenkern vermischen, um das endgültige Flammenmuster zu erzeugen.

13. Brenner nach Anspruch 12, bei dem die ersten und ausrichtenden Mittel Durchgangsöffnungen (13, 19) durch das der Auslaßöffnung gegenüberliegende Ende der Brennkammer (12) umfassen, die mit den Zuführungsmitteln für brennbares Material oder Oxidationsmittel in Verbindung stehen.

14. Brenner nach Anspruch 13, bei dem die mit den Zuführungsmitteln (18) für das brennbare Material in Verbindung stehenden Durchgangsöffnungen (19, 20) verschiedene Querschnittsflächen aufweisen, welche das Mengenverhältnis des auf das erste oxidierende Gas und auf das zweite oxidierende Gas gerichteten brennbaren Materials innerhalb der Brennkammer (12) bestimmen.

15. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die ersten ausrichtenden Mittel (13, 19) das erste oxidierende Gas in einen zentralen Strom mit dem ersten Teil des brennbaren Materials richten, welcher auf das erste oxidierende Gas gerichtet ist.

16. Brenner nach Anspruch 15, bei dem die zweiten ausrichtenden Mittel (20, 16) das Gemisch des zweiten oxidierenden Gases und des zweiten Teils des brennbaren Materials so ausrichten, daß der durch Verbrennung des ersten oxidierenden Gases mit dem ersten Teil des brennbaren Materials gebildete zentrale Flammenkern umgeben wird.

17. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Brennkammer (12) eine flüssigkeitsgekühlte Düse (35) an ihrer Auslaßöffnung umfaßt.

18. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, bei dem der der Brennkammer (12) benachbarte Bereich (11) der ersten und zweiten ausrichtenden Mittel flüssigkeitsgekühlt ist.

19. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, bei dem die Brennkammer (12) entlang ihrer Länge flüssigkeitsgekühlt (31) ist.

20. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19, der weiter Mittel (46) umfaßt, um einen Teil des ersten oxidierenden Gases in dem Brenner in das zweite oxidierende Gas einzuspeisen, bevor das erste und das zweite oxidierende Gas in die Brennkammer (12) gerichtet werden.

21. Brenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20, der Mittel zur Zuführung erster und zweiter, voneinander verschiedener brennbarer Materialien als erster und zweiter Teil des brennbaren Materials aufweist.