REGENERATIVBRENNER FÜR STARK REDUZIERTE NOX EMISSIONEN

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Brenner mit einem feuerfesten Brennerkörper 1, 2, 3 zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen. Mit dem Ziel die NOx Emissionen zu reduzieren, weist der Brennerkörper eine Gasdüse 7, 9, 10, 11 und mehrere Luftdüsen 4, 6 auf, die in dem Brennerkörper zumindest teilweise als integrale Ausformungen ausgebildet sind und an einer Vorderseite 16 des Brennerkörpers austreten. Hierbei sind die Luftdüsen symmetrisch um die Gasdüse angeordnet und divergieren in einem Winkel α zur Gasdüse. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen mit reduzierten NOx Emissionen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen, der für das Erhitzen, Schmelzen und Warmhalten bei Prozessen mit hohem Temperaturbedarf, wie z.B. bei Schmelzöfen, verwendet werden kann. Ebenso wird ein entsprechendes Verfahren angegeben.

[0002] Beispiele von gasförmigen Brennstoffen bilden Erdgas (mit einem Hauptbestandteil an Methan), Ethan, Propan, Butan, Ethen, Pentane und Wasserstoff.

[0003] Einer der Entstehungsmechanismen von NOx (Stickoxid) ist das thermische NOx. Dieses entsteht, wenn eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff über eine gewisse Zeit sehr hohe Temperaturen erreicht. Hierbei ist der Einfluss von hohen Temperaturen überproportional groß. Regenerativbrenner von Aluminiumschmelzöfen sind sehr anfällig für die Entstehung von thermischen NOx. Der Grund dafür ist, dass die Temperaturen im Ofen sehr hoch werden können und dass die Luft bereits vor der Verbrennung auf eine sehr hohe Temperatur vorgewärmt wird. Hierdurch entstehen in der Flamme sehr hohe Spitzentemperaturen, welche wiederum zu hohen NOx Emissionen führen können.

[0004] Aus dem Stand der Technik sind bereits folgende Möglichkeiten zur Reduzierung der NOx Emissionen bekannt:
Sauerstoffbrenner reduzieren aufgrund des fehlenden Stickstoffs die NOx Emissionen. Hierbei muss jedoch die Verbrennung genau kontrolliert werden. Für den Fall, dass durch Undichtigkeiten des Ofenraums oder andere Phänomene Luft mit der Flamme in Kontakt kommt, steigen die NOx Emissionen stark an.

[0005] Durch einen großen Abstand zwischen Luft- und Gasdüse wird eine bessere interne Rezirkulation gefördert. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der Brennerkopf vergrößert wird und somit einen Platzmangel hervorruft. Zudem kann bei ungünstiger Chargierung bei einer dezentralen Gaslanze die Vermischung von Luft und Gas unterbrochen werden, was zu CO (Kohlenmonoxid) Emissionen führen kann.

[0006] Eine externe Rezirkulation zwischen Luft und Gas ist möglich, reduziert jedoch die Effizienz des Brenners und ist aufwändig in der Durchführung.

[0007] Alternativ kann eine gestufte Verbrennung durchgeführt werden, die aber die Emissionen nur bis zu einem bestimmten Punkt bzw. Grad reduzieren kann.

[0008] DE 41 42 401 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer auf einem oder mehreren Brennern basierenden Beheizung eines Ofens. Hierbei wird zur Senkung der Stickoxidbildung unter anderem Sauerstoff zur Verbrennung des Brennstoffs verwendet.

[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die NOx Emissionen zu reduzieren und gleichzeitig einen effizienten und kostengünstigen Brenner bereitzustellen.

[0010] Hierzu gibt die Erfindung einen erfindungsgemäßen Brenner zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen, insbesondere nach Anspruch 1, an. Im Detail handelt es sich um einen Brenner mit einem feuerfesten Brennerkörper. Der Brennerkörper weist eine Gasdüse und mehrere Luftdüsen auf, die in dem Brennerkörper zumindest teilweise als integrale Ausformungen ausgebildet sind und an einer Vorderseite des Brennerkörpers austreten. Hierbei sind die Luftdüsen symmetrisch um die Gasdüse angeordnet und divergieren in einem Winkel α zur Gasdüse.

[0011] Dies hat den Vorteil, dass durch den Ausstoß und die Verteilung der Luft weg von der Flamme geringere NOx Emissionen entstehen. Somit wird das Gas nicht vollständig gleich mit Austritt aus der Gasdüse verbrannt, sondern erstmal im Ofen verteilt. Durch den Winkel kann folglich die Luft in einem divergierenden Winkel ausgestoßen, die Flamme verlängert und die Vermischung von Luft und Erdgas mit Abgas erhöht werden, was zu geringeren Spitzentemperaturen und somit auch zu geringeren NOx Emissionen führt.

[0012] Die längere Flammenfront, die aufgrund der symmetrischen Verteilung der aus den Luftdüsen ausgestoßenen Luft entsteht, führt zu einer gleichmäßigeren Wärmeübertragung mit keinen oder nur geringen Temperaturspitzen.

[0013] In Folge dessen, aber auch aufgrund der stärkeren Temperaturverteilung, erfährt das Feuerfestmaterial, insbesondere das des Brenners, eine geringere Belastung, wodurch die Lebenszeit des Materials und der damit ausgestatteten Vorrichtung verlängert wird.

[0014] Die symmetrische Anordnung der Luftdüsen, insbesondere deren Austrittsöffnung/en an der Austritts- bzw. Vorderseite des Brenners, bedeutet unter anderem, dass diese konzentrisch um die Gasdüse angeordnet sind und mindestens eine Symmetrieachse aufweisen. Im Fall von mehreren Symmetrieachsen kann jede Symmetrieachse den gleichen Winkel zur benachbarten Symmetrieachse haben. Zusätzlich können die Luftdüsen verschiedene Abstände zur Gasdüse einnehmen. Vorzugsweise liegen die Luftdüsen auf einem oder mehreren, insbesondere konzentrischen Kreisen um die Gasdüse und sind auf diesem bzw. diesen gleichmäßig verteilt, d.h. auf dem jeweiligen Kreis im gleichen Abstand zueinander angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Luftdüsen auf einem äußeren Kreis mit einem Winkel β und die Luftdüsen auf dem oder den inneren Kreisen mit einem Winkel α ausgerichtet, wobei der Winkel α kleiner als der Winkel β ist; alternativ wird der Winkel der Luftdüsen eines Kreises mit jedem Kreis näher zur Gasdüse linear oder exponentiell kleiner.

[0015] Ebenso können die Symmetrieachsen nicht nur die Anordnung der Luftdüsen, sondern auch deren Ausgestaltung, insbesondere deren Austrittsöffnung/en, betreffen. Hierbei sind deren Form und/oder Größe bzw. Austrittsfläche zu verstehen, die punkt- und/oder achsensymmetrisch ausgebildet sind.

[0016] Die Verwendung von Luft als Gasgemisch erleichtert zudem die Herstellung und Nutzung einer entsprechenden Anlage, insbesondere eines Ofens, mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Brennern. Hierbei wird die Umgebungsluft angesaugt und anschließend vorzugsweise (gas- und/oder staub-) gefiltert, getrocknet, vorgekühlt und/oder -gewärmt, bevor sie in die Luftdüsen des Brenners geleitet wird.

[0017] Die Gasdüse wird vorzugsweise mit gasförmigen Brennstoff versorgt, kann aber auch mit anderen fluiden oder aerosolförmigen Brennstoffen betrieben werden. Bei Aerosolen, also festen Teilchen oder flüssigen Teilchen in einem Gas, bilden die genannten Teilchen den Brennstoff. Außerdem kann der Brenner, insbesondere die Gasaustrittsdüse, einen Zerstäuber aufweisen, um die Teilchen in dem Gas zu verteilen und zu vermischen.

[0018] Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Winkel α zwischen Gasdüse und einem oder mehreren Luftdüsen, insbesondere einem oder mehreren Hauptbrennluftdüsen, in Bereich von 1 bis 45 Grad liegt. Vorzugsweise beträgt der Winkel α 4 Grad. Je kleiner der Winkel α ist, desto besser kann die ausgestoßene Luft das Gas mitreißen. Je größer der Winkel α ist, desto besser wird die Verteilung der ausgestoßenen Luft vor dem Brenner bzw. im Ofen. Die Luft gelangt über die Luftdüse in den Brennraum. Da die Luftdüsen gleichzeitig divergierend zueinander angeordnet sind, strömt die Luft zunächst vom Gasstrahl weg. Durch die zunehmende Vermischung mit Abgas breiten sich jedoch der Gasstrahl und die Luftstrahlen aus, so dass nach einer gewissen Zeit der Gasstrahl und die Luftstrahlen aufeinandertreffen. Der Winkel zwischen den beiden Luftdüsen ist folglich geringer sein, als der Winkel, in dem sich die Strahlen von der Austrittsöffnung ausbreiten (auch als Abstrahl- bzw. Austrittswinkel bezeichnet). Hierbei beträgt der Austrittswinkel vorzugsweise 18° und beschreibt die Richtwirkung der Düse. Unter Richtwirkung einer Düse ist insbesondere der Winkel der Geschwindigkeitsvektoren der Gasteilchen zu verstehen; je mehr Anteile des ausströmenden Gases eine parallel zur Achse einer Düse verlaufende Geschwindigkeit haben, umso kleiner ist der Winkel des ausströmenden Gases und umso schubwirksamer und weitreichender ist das austretende Gas.

[0019] Um eine bessere Luftverteilung mit gleichzeitig guter Richtwirkung der Luftdüsen zu erreichen, kann der Brennerkörper zwei bis acht, vorzugsweise vier, Luftdüsen aufweisen. Außerdem steigt die symmetrische und gleichzeitig gerichtete Luftverteilung mit der Anzahl der Luftdüsen. Während eine geringe Anzahl von Luftdüsen eine bessere Durchmischung der Luft mit den Abgasen ermöglicht und somit die Verbrennung des Gases, die Verbrennungstemperatur und die NOx Emission reduziert, hat eine größere Anzahl von Luftdüsen eine bessere symmetrische Verteilungseigenschaft. Vier Luftdüsen bilden eine optimale Ausgestaltung zwischen NOx Emission und symmetrischer Verteilung der ausgestoßenen Luft.

[0020] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit liegt in der Größenanpassung der Austrittsöffnungen der Luftdüsen. Hierbei sollten die Luftdüsen Austrittsöffnungen mit einer Gesamtfläche aufweisen, die maximal der Hälfte einer Kreisfläche der Vorderseite des Brennerkörpers beträgt.

[0021] Ebenso können die Luftdüsen Austrittsöffnungen aufweisen, deren Breite radial von der Gasdüse ausgehend wächst. Die Austrittsöffnungen können hierbei trapezförmige Austrittsflächen an der Vorderseite des Brenners bilden. Dadurch steigt die Menge bzw. das Luftvolumen der ausgestoßenen Luft zum Außenrand der Vorderseite hin, so dass eine Vermischung der Luft mit dem Gas nicht schlagartig und an einem räumlichen Punkt, sondern stetig und räumlich verteilt erfolgt.

[0022] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Gasdüse eine Vorbrennkammer auf, die im Brennerkörper ausgebildet ist. Zusätzlich weist jede oder zumindest eine Luftdüse eine Vorverbrennungsluftdüse auf, die die Luftdüse mit der Vorbrennkammer verbindet. Durch die Zuführung von einem Teil der Luft aus der Luftdüse in die Vorbrennkammer erfolgt eine gestufte Verbrennung durch den Brenner, die Temperaturspitzen vermeidet oder zumindest verringert. Außerdem ist eine bessere Zündung des Gas-Luft-Gemisches in der Vorbrennkammer möglich, insbesondere aufgrund der besseren Durchmischung des Brennstoffs durch eine Dralldüse und der zugeführten Luft über die Vorverbrennungsluftdüse/n.

[0023] Des Weiteren weist die Gasdüse vorzugsweise eine Dralldüse zum Verwirbeln des Brennstoffs auf, die im Brennerkörper eingesetzt ist. Dies hat den Vorteil, eine Vermischung des Brennstoffs mit der Luft in und/oder nach der Dralldüse und somit eine räumlich verteilte Verbrennung des Gases zu fördern.

[0024] Vorzugsweise wird der Brennerkörper durch einen ersten Brennerstein mit der Vorderseite, einen zweiten Brennerstein, der koaxial zum ersten Brennerstein angeordnet ist, und einen dritten Brennerstein, insbesondere mit einem Brennermund, als Außenmantel des ersten und zweiten Brennsteins gebildet. Der geteilte Brennerkopf bzw. -körper ist fertigungstechnisch begründet, da er sich so besser gießen lässt. Die Brennersteine werden vorzugsweise jeweils in einem eigenen Stahlmantel gegossen. Die Zweiteilung des Brennerkörpers in einen ersten und zweiten Brennerstein ermöglicht ein einfacheres Einsetzen der Gasaustrittsdüse und der Dralldüse. Der Brennermund ist trichterförmig und kann einen Winkel zur Längs- bzw. Gasflammenachse im Bereich von 15 bis 75 Grad haben. Des Weiteren ist in bevorzugten Ausführungsformen dieser Winkel stets größer als der Winkel o, um das brennbare Gas und die Luft nicht beim Austritt aus dem Brenner sofort miteinander zu verdichten und zu mischen. Ebenso kann der Brennermund durch die innere Geometrie des Ofens statt an dem dritten Brennerstein bereitgestellt werden, weshalb der dritte Brennerstein beim Brennerkörper in anderen Ausführungsformen weggelassen werden kann.

[0025] Die Brennersteine sind vorzugsweise zylinderförmig, können aber auch quader- oder ellipsenförmig ausgebildet sein. Bei einer rechteckigen Vorderseite wird weiterhin auf eine symmetrische Anordnung der Luftdüsen um die Gasdüse geachtet, wobei die Anordnung ebenfalls symmetrisch zu der rechteckigen Vorderseite des Brenners, insbesondere des ersten und dritten Brennersteins ist.

[0026] Zusätzlich oder alternativ können die Luftdüsen, insbesondere deren Austrittsöffnung/en, einen sich nach Außen verjüngenden Mund oder Rahmen aufweisen, um die Luft zu beschleunigen und somit die Richtwirkung der ausgestoßenen Luft zu verbessern. Das gleiche Merkmal hinsichtlich der Verjüngung kann, zusätzlich oder alternativ, bei der Gasdüse, insbesondere dessen Austrittsöffnung/en, ausgebildet sein. Des Weiteren können die genannten Austrittsöffnungen derart geformt sein, um die Luft und/oder das Gas in einer bestimmten Richtung auszustoßen und somit den genannten Winkel α zu bilden.

[0027] Die Gasdüse und/oder die Luftdüsen können durch Gussformen und/oder mechanische Nachbearbeitungen teilweise oder vollständig integral in dem Brennerkörper ausgeformt sein. Zusätzlich können Bauteile in dem Brennerkörper eingesetzt sein, die die Düsen und deren Wege bzw. Kanäle zumindest teilweise ausbilden. Diese Bauteile können als Verbindungsstück zwischen mehrteiligen Brennersteinen dienen, die Richtung und/oder Geschwindigkeit des Gases bzw. Luft beeinflussen und/oder die entsprechende Düse vor äußeren Gasen abdichten, wie es z.B. bei der Dralldüse der Fall sein kann. Vorzugsweise wird gepresste Feuerfestwolle oder -papier als Füll- und/oder Abdichtmaterial in und/oder um den Brenner, insbesondere zwischen den Brennersteinen, verwendet.

[0028] Die Luft tritt bei der Verwendung des Brenners vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 80 bis 200 m pro Sekunde aus. Das Gas tritt vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 100 m pro Sekunde aus.

[0029] Die vorliegende Erfindung gibt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen mit reduzierten NOx Emissionen, insbesondere nach Anspruch 9, an. In diesem Verfahren werden mindestens die folgenden Schritte ausgeführt:

• Bereitstellen eines gasförmigen Brennstoffs;
• Bereitstellen eines Gasgemisches mit Sauerstoff und Stickstoff, insbesondere von Luft, das zur Oxidation des Brennstoffs geeignet ist;
• Ausstoßen und Entzünden des Brennstoffs zu einer Gasflamme; und
• Ausstoßen des Gasgemisches in mindestens zwei Richtungen, die jeweils in einem bestimmten Winkel α zu dem ausgestoßenen Brennstoff bzw. zu der Gasflamme divergieren.

[0030] Die daraus sich ergebenden Vorteile, wie geringere NOx Emissionen, eine gleichmäßigere Wärmeübertragung sowie eine geringere Belastung des Feuerfestmaterials, wurden beim erfindungsgemäßen Brenner erläutert.

[0031] Vorzugsweise wird beim Ausstoßen und Entzünden des fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffs ein Teilvolumen des Gasgemisches dem Brennstoff derartig bereitgestellt, dass ein bestimmter Prozentanteil des Brennstoffs vorverbrennt. Durch diese Vorverbrennung erfolgt eine gestufte Verbrennung des Gases, eine stärkere Temperaturverteilung und die Abschaffung, zumindest die Reduzierung von Temperaturspitzen bei der Verbrennung.

[0032] Des Weiteren wird der gasförmige Brennstoff vor dem Ausstoß verwirbelt und/oder in Rotation versetzt. Dies erlaubt eine bessere Vermischung mit dem Gasgemisch und somit eine bessere räumlich verteilte Verbrennung, anstelle von punktuellen Verbrennungsbereichen.

[0033] Vorteilhafterweise wird das Gasgemisch derart ausgestoßen, dass die mindestens zwei Richtungen zueinander gleich beabstandet sind bzw. den gleichen Winkel um die Gasflamme haben. Anders formuliert bilden die Austrittsrichtungen auf einer Ebene senkrecht zur Gasflamme bzw. dessen Längsachse gedachte Schnitt-/Punkte, die auf einem um die Flamme konzentrischen Kreis liegen und auf diesem Kreis gleichmäßig verteilt sind.

[0034] Die nachfolgend beschriebenen Figuren beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Brenners, wobei diese Figuren nicht als Einschränkung, sondern im Wesentlichen der Veranschaulichung der Erfindung dienen. Elemente aus unterschiedlichen Figuren, aber mit denselben Bezugszeichen sind identisch; daher ist die Beschreibung eines Elements aus einer Figur für gleichbezeichnete bzw. gleichnummerierte Elemente aus anderen Figuren auch gültig.

[0035] Es zeigen

Figur 1

einen Querschnitt durch einen Brenner gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und

Figur 2

eine Draufsicht auf die Vorderseite des Brenners aus Figur 1.

[0036] In Figur 1 wird der erfindungsgemäße Brenner 15 gezeigt, der einen Brennerkörper aufweist, der durch einen ersten Brennerstein 1, einen zweiten Brennerstein 2 und einen dritten Brennerstein 3 gebildet wird. Alle drei Brennersteine 1, 2, 3 sind einzelne Teile des Brennerkörpers und liegen aneinander an. Der erste und zweite Brennerstein 1, 2 sind zylinderförmig und der dritte Brennerstein 3 ist hohlzylinderförmig, wobei der erste und zweite Brennerstein 1, 2 in dem dritten Brennerstein 3 angeordnet sind. Hierzu kann die Anordnung passgenau sein oder, wenn Ungenauigkeiten der Dimensionierungen vorliegen, mittels Dämmwolle und/oder Feuerfestpapier/-wolle zwischen den Brennersteinen erfolgen bzw. unterstützen. Für eine vorbestimmte Ausrichtung der drei Brennersteine 1, 2, 3 zueinander können diese Nut-Feder-Einrichtungen, Schienen und/oder Vorsätze bzw. Erhebungen und Vertiefungen aufweisen und dadurch eine gezielte oder vorbestimmte Zusammensetzung der Brennersteine ermöglichen.

[0037] Der gezeigte Brenner 15 ist mit einer Gasdüse und vier Luftdüsen ausgestattet. Hierbei weist die Gasdüse vorzugsweise folgende Komponenten auf, die nacheinander und koaxial bzw. entlang einer Längsachse 14 zueinander angeordnet sind: eine hohlzylinderförmige Austrittsdüse 11 aus Metall, die über eine Zuleitung 12 mit Gas beliefert wird; eine Dralldüse 9 zum Verwirbeln des Gases, die in dem zweiten Brennerstein 2 eingesetzt ist; ein röhrenförmiger Mischweg 10, durch den das verwirbelte Gas weitergeleitet wird; eine Vorbrennkammer 7, in der der Mischweg 10 sowie vier Vorverbrennungsluftdüsen bzw. -kanäle 5 der Luftdüsen münden. In dieser Vorbrennkammer 7 wird das verwirbelte Gas mit der Luft aus den Vorverbrennungsluftdüsen 5 vermengt und vorzugsweise initial gezündet. Der Mischweg 10 und die Vorbrennkammer 7 sind im ersten Brennerstein 1 integral ausgeformt. Die Dralldüse 9 befindet sich am Übergang vom zweiten Brennerstein 2 zum ersten Brennerstein 1. Dabei kann die Dralldüse 9 derart beschaffen sein, dass keine Gase aus der Grenz-/Schicht zwischen dem ersten und zweiten Brennerstein 1, 2 in die Gasdüse eintreten können; d.h. die Außenseite der Dralldüse 9 dichtet die Gasdüse gegen ungewollte Gase bzw. gegen Gaslecks vorzugsweise ab. Die Austrittsdüse 11 ist in einem Hohlraum im zweiten Brennerstein 2 angeordnet, wobei die Gaszuleitung 12 in einer Kühlleitung 13 angeordnet ist, die zur Kühlung der Zuleitung 12 und der Austrittsdüse 11 vorzugsweise gekühlte Luft zuführt. Dadurch wird ein vorzeitiges Entzünden des Gases aufgrund von erhöhten Temperaturen, insbesondere vor dem Eintritt des Gases in die Dralldüse 9, vermieden. Außerdem schützt die Luft der Kühlleitung 13 die metallischen Bestandteile des Brenners. In anderen Ausführungsformen kann ein Brenner mehrere Gaszu- und Kühlluftleitungen aufweisen. Jede Luftdüse weist vorzugsweise folgende Komponenten auf: ein Luftkanal 4, der in dem zweiten Brennerstein 2 ausgeformt ist; eine Hauptbrennluftdüse bzw. -kanal 6, der in dem ersten Brennerstein 1 ausgeformt und mit dem Luftkanal 4 verbunden ist; sowie eine Vorverbrennungsluftdüse bzw. -kanal 5, der ebenfalls im ersten Brennerstein 1 ausgeformt ist und von der Hauptbrennerluftdüse 6 in die Vorbrennkammer 7 abzweigt. Somit sind bis auf die Austrittsdüse 11, die Zuleitung 12 und die Dralldüse 9 alle anderen, insbesondere zuvor genannten Komponenten des Brenners 15 in den Brennersteinen 1, 2, 3 durch Aushöhlungen ausgeformt.

[0038] In der Figur 1 ist der Winkel α zwischen der Längsachse 14 (oder auch der Gasdüse) und einer Luftdüse eingezeichnet, die den zu einem austretenden Gas bzw. einer Gasflamme divergierenden Luftstrom kennzeichnet. In diesem Fall sind der Luftkanal 4 und die Hauptverbrenndüse 6 identisch zueinander ausgebildet und formen von der Rückseite des Brenners 15 bis zur Vorderseite 16 des Brenners 15 einen Kanal mit konstanter Form, Dicke und Breite. Der Winkel α wird insbesondere zwischen der Längsachse 14 und der Innenseite bzw. -kante des Luftkanals 4 bzw. der Hauptverbrenndüse 6 gebildet. In anderen Ausführungsformen können der Kanal 4 und die Düse 6 sich unterscheiden; hierbei können andere Komponenten, wie z.B. die Austrittsöffnung der Luftdüse, insbesondere die Hauptverbrennluftdüse 6 an der Vorderseite, derart ausgebildet sein, dass die Luft in einem Winkel α zur Längsachse 14 ausgestoßen wird.

[0039] Vorzugsweise ist der Brennerkörper oder mindestens einer oder alle der Brennersteine 1, 2, 3 feuerfest. Der erste Brennerstein 1 weist eine kreisförmige Vorderseite/-fläche 16 und der dritte Brennerstein 3 einen trichterförmigen, sich erweiterten Brennermund 8 auf. Insbesondere diese Komponenten 16, 8 sowie die Vorbrennkammer 7 sind zumindest feuerfest ausgebildet; oder alternativ formuliert, die Komponenten, die der Verbrennungs- bzw. Gasflamme gegenüberstehen und/oder deren Hitze/-strahlung ausgesetzt sind. An der Vorderseite 16 treten die vier Hauptbrennluftdüsen 6 sowie die Vorbrennkammer 7 aus. Dabei bilden diese Komponenten Öffnungen bzw. Austrittsflächen, die symmetrisch um die Längsachse 14 angeordnet sind.

[0040] Der in Figur 1 gezeigte Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Brenner 15 erfolgt in einem bestimmten Winkel, kleiner als 180 Grad, entlang der Längs- bzw. Symmetrieachse 14. Dadurch ist sowohl der Kanal für die Gaszufuhr der Gasdüse als auch der Luftkanal 4 für die Luftzufuhr der Luftdüse sichtbar; schließlich sind vier Luftdüsen symmetrisch ausgebildet und würden bei einer geraden Querschnittsfläche, im Gegensatz zu den gezeigten zueinander gewinkelten Flächen, die Kühlluftleitung 13 mit der Zuleitung 12 nicht zeigen. Luftdüse und Gasdüse bzw. deren Kanäle sind im zweiten und dritten Brennerstein 2, 3 voneinander getrennt.

[0041] In Figur 2 wird der Brenner 15 aus Figur 1 in einer Draufsicht gezeigt. Hierbei wird insbesondere die kreisförmige Vorderseite/-fläche 16 des ersten Brennersteins 1 sowie der ringförmige Brennermund 8 des dritten Brennersteins 3 dargestellt. Im Mittelpunkt der Vorderseite 16, durch den die Längsachse des Brenners 15 verläuft, ist das partielle Sackloch der Vorbrennkammer 7 mit dem anschließenden Mischweg 10 und der Dralldüse 9 ausgebildet. Es handelt sich bei der Vorbrennkammer 7 um ein partielles Sackloch, da es bis auf einen ringförmigen Boden nicht komplett abschließt. An dem Boden sind die vier Öffnungen zu den Vorverbrennungsluftdüsen 5 jeweils im 90 Gradwinkel um den Mittelpunkt bzw. die Längsachse zueinander angeordnet.

[0042] Die vier Öffnungen der Hauptbrennluftdüsen 6 sind strahlenförmig von der Längsachse des Brenners 15, insbesondere kreuzförmig und identisch zu den vier Vorverbrennungsluftdüsen 5, ausgerichtet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Fläche einer Austrittsöffnung der Hauptbrennluftdüse 6 gleich groß und/oder geformt wie der Querschnitt der Hauptbrennluftdüse 6 innerhalb des ersten Brennersteins 1 ist. In anderen Ausführungsformen können sich die Austrittsöffnungen und deren angeschlossene Kanäle, wie z.B. der Hauptbrennluftdüsen 6, der Vorverbrennungsluftdüse 5 und der Luftkanäle 4, in ihrer Form und/oder Größe unterscheiden. Die gezeigten Öffnungen bilden jeweils eine trapezförmige Fläche, die sich zur Längsachse verjüngt bzw. zum Außenumfang des Brenners 15 verbreitert. Andere Formen anstelle der Trapezform sind in anderen Ausführungsformen möglich.

Bezuaszeichenliste

[0043] 

1

erster Brennerstein, Vorderseite des Brenners

2

zweiter Brennerstein, Rückseite des Brenners

3

dritter Brennerstein, Außenmantel des Brenners

4

Luftkanal

5

Vorverbrennungsluftdüse/-kanal

6

Hauptbrennluftdüse/-kanal

7

Vorbrennkammer

8

Brennermund

9

Dralldüse

10

Mischweg

11

Austrittsdüse

12

Zuleitung der Gasdüse

13

Kühlluftleitung

14

(Symmetrie)Achse

15

Brenner

16

Vorderseite/-fläche des Brenners, insbesondere des ersten Brennersteins

Ansprüche

1. Brenner (15) mit einem feuerfesten Brennerkörper (1, 2, 3) zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennerkörper eine Gasdüse (7, 9, 10, 11) und mehrere Luftdüsen (4, 6) aufweist, die in dem Brennerkörper zumindest teilweise als integrale Ausformungen ausgebildet sind und an einer Vorderseite (16) des Brennerkörpers austreten,
wobei die Luftdüsen symmetrisch um die Gasdüse angeordnet sind und in einem Winkel α zur Gasdüse divergieren.

2. Brenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Winkel α zwischen 1 und 45 Grad liegt.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennerkörper zwei bis acht, vorzugsweise vier, Luftdüsen aufweist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftdüsen Austrittsöffnungen mit einer Gesamtfläche aufweisen, die maximal der Hälfte einer Kreisfläche der Vorderseite (16) des Brennerkörpers beträgt.

5. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftdüsen Austrittsöffnungen aufweisen, deren Breite radial von der Gasdüse ausgehend wächst.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasdüse eine Vorbrennkammer (7) aufweist, die im Brennerkörper ausgebildet ist, und mindestens eine Luftdüse eine Vorverbrennungsluftdüse (5) aufweist, die die Luftdüse mit der Vorbrennkammer (7) verbindet.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gasdüse eine Dralldüse (9) zum Verwirbeln des Brennstoffs aufweist, die im Brennerkörper eingesetzt ist.

8. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brennerkörper durch einen ersten Brennerstein (1) mit der Vorderseite, einen zweiten Brennerstein (2), der koaxial zum ersten Brennerstein (1) angeordnet ist, und einen dritten Brennerstein (3) mit einem Brennermund (8) und als Außenmantel des ersten und zweiten Brennsteins gebildet ist.

9. Verfahren zum Verbrennen von fluiden oder aerosolförmigen, insbesondere gasförmigen Brennstoffen mit reduzierten NOx Emissionen,
dadurch gekennzeichnet, dass
folgende Schritte ausgeführt werden:

- Bereitstellen eines gasförmigen Brennstoffs;

- Bereitstellen eines Gasgemischs mit Sauerstoff und Stickstoff, insbesondere von Luft, das zur Oxidation des Brennstoffs geeignet ist;

- Ausstoßen und Entzünden des gasförmigen Brennstoffs zu einer Gasflamme; und

- Ausstoßen des Gasgemischs in mindestens zwei Richtungen, die jeweils in einem bestimmten Winkel α zu der Gasflamme divergieren.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Ausstoßen und Entzünden des gasförmigen Brennstoffs ein derartiges Teilvolumen des Gasgemischs dem Brennstoff bereitgestellt wird, um einen bestimmter Prozentanteil des Brennstoffs zu verbrennen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gasförmige Brennstoff vor dem Ausstoß verwirbelt und/oder in Rotation versetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens zwei Richtungen zueinander gleich beabstandet sind bzw. den gleichen Winkel um die Gasflamme haben

Zeichnung