[0001] Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere Reku ^¬ peratorbrenner, für die gemischt direkte und indirekte Behei ^¬ zung von Wärmegut in einem Ofen.

[0002] Für die Erwärmung von Halb- und Fertigerzeugnissen werden in der Industrie Öfen verwendet, die mit Brennern beheizt sind, bei denen die Abgaswärme zur Vorwärmung der dem Brenner zugeführten Luft teilweise zurückgewonnen wird.

[0003] Die DE 10 2010 0151 347 AI beschreibt dazu einen Brenner, der mit einem als Strahlungsheizrohr dienenden Mantelrohr versehen ist. Innerhalb dieses Strahlungsheizrohrs wird Brenn ^¬ stoff oxidiert, um das Strahlungsheizrohr aufzuheizen, damit dieses Strahlungswärme abgibt.

[0004] Der Vorzug einer solchen Anordnung liegt darin, dass das Wärmegut nicht mit den Verbrennungsgasen in Berührung kommt, weswegen eine chemische Beeinflussung des Wärmeguts durch die Verbrennungsgase ausgeschlossen ist. Überdies eröffnet die in ^¬ direkte Beheizung mittels Strahlungsheizrohr die Möglichkeit der Inertisierung des Ofenraums. Jedoch ist die Heizleistung durch den Wärmetransport durch die Strahlungsheizrohroberflä ^¬ che begrenzt. [0005] Es sind außerdem Industriebrenner zur direkten Beheizung von Ofenräumen bekannt. Dazu beschreibt die DE 34 22 229 C2 einen Brenner, der mit einer Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung ausgerüstet ist und der eine Brennkammer aufweist, aus der Flammen und/oder heiße Abgase zur Beheizung des Ofenraums austreten können. Damit fällt eine Heizleistungsbegrenzung, wie sie bei Strahlungsheizrohren auftritt, weg. Allerdings muss die Einwirkung der Verbrennungsgase auf das Wärmegut in Kauf genommen werden. Beispielsweise kann bei der Erwärmung von Stahl auf höhere Temperaturen Zunder gebildet werden, was man typischerweise durch eine Verbrennung mit möglichst gerin ^¬ gem Luftüberschuss einzugrenzen versucht. Hierbei kann es je ^¬ doch zur Erzeugung von Kohlenmonoxid kommen. Bei zu hohem Luftüberschuss kann es hingegen neben einer Verzunderung des Wärmeguts zu einer zu hohen Stickoxydbildung kommen. Sowohl Kohlenmonoxid als auch Stickoxid können nicht als Abgas in die Umgebung entlassen werden und erfordern daher aufwendige Maßnahmen zur Abgasnachwandlung.

[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Brenner zur Beheizung von Wärmegut in einem Ofen anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Beheizung von Wärmegut in einem Ofen anzugeben.

[0007] Der auf die Schaffung eines Brenners gerichtete Teil der Aufgabe wird durch einen Brenner nach Anspruch 1 gelöst:

[0008] Der erfindungsgemäße Brenner weist ein Strahlrohr auf, das an dem von dem Brenner weg weisenden Ende eine Öffnung aufweist, durch die hindurch Brennstoff und vorgewärmte Luft oder auch eine Flamme in den Ofenraum eingeleitet und durch die im Gegenstrom Abgas aus dem Ofenraum ausgeleitet wird. Das Strahlrohr begrenzt somit einen Abgaskanal, dem erfindungsge ^¬ mäß eine Lufteinleitungseinrichtung zur Einleitung von Ausbrandluft zugeordnet ist. Damit wird es möglich, eine erste vorzugsweise unterstöchiometrische Stufe der Verbrennung au ^¬ ßerhalb des Strahlrohrs im Ofenraum und eine zweite Stufe der Verbrennung im Strahlrohr stattfinden zu lassen. Dadurch kann der Ofenraum z.B. bei der Erwärmung von Metallen, wie Stahl, Kupfer, usw. durch die unterstöchiometrische Verbrennung mit einer nichtoxidativen Verbrennungsgasen gefüllt und eine zunderarme oder sogar zunderfreie Erwärmung erreicht werden

(λ<1) . Es wird eine CO-haltige Ofenatmosphäre erzeugt, die für das Wärmegut schützend wirken kann. Das CO-haltige Abgas wird dann mittels der durch die Lufteinleitungseinrichtung eingeleiteten Luft im Strahlrohr nachverbrannt. Die dabei frei wer ^¬ dende Wärme wird von dem Strahlrohr in den Ofen abgestrahlt.

[0009] Vorzugsweise werden die Luftmengen des Brenners und der Nachverbrennung so aufeinander abgestimmt, dass insgesamt eine stöchiometrische oder überstöchiometrische Verbrennung er ^¬ reicht wird, λ liegt dabei vorzugsweise zwischen 1 und 1,2. z.B. werden dem Ofenraum 80% der benötigten Luftmenge zugeführt (im Ofenraum λ = 0,8), während dem Abgaskanal in dem Strahlrohr 20% bis 40% der benötigten Luftmenge zugeführt wer ^¬ den (λ = 1 ... 1,2) . Vorzugsweise sind die Luftmenge und die Lufteinleiteinrichtung so abgestimmt, dass die Nachverbrennung in dem Wärme abstrahlenden, sich im Ofenraum befindenden Teil des Strahlungsheizrohrs vollendet ist und nicht in den Ab ^¬ schnitt herein reicht, in dem der Rekuperator angeordnet ist. Der Rekuperator ist dabei vorzugsweise auf den in der Ofenwand befindlichen, nicht zur Wärmeabstrahlung dienenden Teil des Strahlungsheizrohrs beschränkt.

[0010] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Brennermündung an einem aus der Öffnung des Strahlrohrs herausragen- den Teil des Brenners angeordnet sein. Damit ist es besonders einfach, eine großräumige Abgasrezirkulation zu erreichen, wodurch der Brenner mit flammenloser Oxidation betrieben werden kann. Dies kommt einem gleichmäßigem Wärmeeintrag in den Ofen und einer niedrigen Stickoxiderzeugung zugute.

[0011] Die Lufteinleitungseinrichtung kann durch an seiner Peripherie mit Luftlöchern versehenes Rohr gebildet sein, das sich durch das Strahlrohr erstreckt. Dieses Rohr bzw. dieser Rohrabschnitt kann aus Metall (z.B. Stahl oder Keramik) bestehen und er kann nahtlos einstückig mit dem Rekuperator verbunden oder an diesen angesetzt sein. Insbesondere ist es möglich, den Rekuperator und den Rohrabschnitt der Lufteinleitungseinrichtung einteilig aus dem gleichen Material auszubilden. Der Rekuperator und die Lufteinleiteinrichtung sind vorzugsweise koaxial in dem Strahlrohr angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, als Luftleiteinrichtung ein oder mehrere (gleich- o- der unterschiedlich lange) Rohre vorzusehen, die sich von dem Brennerkopf ausgehend durch den Abgaskanal in Richtung des Ab ^¬ gaseintritts des Strahlrohrs erstrecken und dort Luft abgeben. Solche Rohre sind dann exzentrisch zu dem Strahlrohr angeordnet. Sie können Rund- oder Flachquerschnitte aufweisen.

[0012] Die Lufteinleitungseinrichtung und die Brennermündung können strömungsmäßig mit einem gemeinsamen Luftkanal verbunden sein, um von diesem mit vorgewärmter Luft gespeist zu werden. Dabei ist es möglich, auf eine Reguliervorrichtung zu verzichten, mit der die Größen der Luftströme (Brennerluft für den Brenner aus Ausbrandluft für die Lufteinleitungsvorrichtung) aufeinander abstimmbar sind. Die Abstimmung der Luftmengen aufeinander erfolgt vorzugsweise durch Bemessung der Querschnitte der Öffnungen der Lufteinleiteinrichtung für die Ausbrandluft auf die Größe der Austrittsöffnung (en) für die Brennerhauptluft . [0013] Die Brennermündung umfasst mindestens eine Öffnung, die axial zu dem Brenner oder auch schräg oder auch radial zur Brennerachse orientiert ist. Damit können Brenner mit unter ^¬ schiedlichsten Heizzonen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Prinzips bereitgestellt werden, das auf teilweiser Verbrennung im Ofenraum und Nachverbrennung im Strahlrohr beruht.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf unterstöchio- metrischem Betrieb eines Brenners und Ausleitung der so erzeugten reduzierenden Abgase durch ein Strahlrohr und Nachverbrennung der Abgase in diesem Strahlrohr, indem in den Abgaskanal des Strahlrohrs ergänzend Ausbrandluft eingeleitet wird. Damit wird in dem Abgaskanal eine Verbrennung unterhalten, die zur Beheizung des Strahlrohrs und zur zumindest weitgehenden Beseitigung von oxidierbaren Bestandteilen im Abgas genutzt wird. So ist ein sowohl NOx-armes wie auch, trotz unterstöchi- ometrischem Ofenbetrieb, ein CO-armes Abgas möglich, wobei die Wärmenutzung durch Wärmerekuperation gut und der Wärmeeintrag in den Ofen gleichmäßig ist.

[0015] Vorzugsweise wird der Ofenraum zu einem größeren Anteil direkt durch das von dem Brenner erzeugte heiße Gas und zu ei ^¬ nem kleineren Anteil, der indirekt durch die von dem Strahlrohr abgegebene Wärme beheizt. Die Leistungsaufteilung beträgt z.B. 80%/20%.

[0016] Die Erfindung kann auch bei Regeneratorbrennern Anwendung finden . [0017] Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche, der Beschreibung oder der Zeichnung. Es zeigen:

[0018] Figur 1 Ein Ofenraum mit einem erfindungsgemäßen Brenner, in schematisierter Schnittdarstellung,

[0019] Figur 2 eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, in schematisierter Schnittdarstellung,

[0020] Figur 3 eine weiter abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners, in Längsschnittdarstellung und

[0021] Figur 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners mit radialem oder schrägem Flammenaustritt.

[0022] In Figur 1 ist ein Rekuperatorbrenner 10 veranschaulicht, der zur Beheizung des Innenraums 11 eines schematisch veranschaulichten Industrieofens 12 dient. Zur Beheizung desselben können mehrere Brenner mit Wärmerückgewinnung, z.B. Rekuperatorbrenner vorgesehen sein, die mit dem Rekuperatorbrenner 10, vorzugsweise baugleich, ausgebildet sind und die gemeinsam o- der einzeln oder gruppenweise gesteuert werden.

[0023] Der Industrieofen dient der Wärmebehandlung eines Wärmeguts 13, das zum Beispiel durch Halb- oder Fertigfabrikate aus Metall oder anderen Werkstoffen gebildet sein kann. Zum Beispiel kann es sich um Stahlteile, Kupferteile oder dergleichen handeln. Die Ofentemperatur liegt typischerweise im Bereich mehrerer 100°C, und entspricht der gewünschten Anwendung.

Liegt sie oberhalb einer kritischen Temperatur von typischerweise etwa 850°C kann der Brenner 10 im Betrieb mit flammenlo ^¬ ser Oxidation betrieben werden. Liegt die Ofentemperatur unter dieser Grenze wird der Brenner 10 vorzugsweise in einer Be ^¬ triebsart mit Flamme betrieben. Diese Betriebsart wird auch beim Aufheizen, insbesondere beim Kaltstart gewählt. Der Kalt ^¬ start kann mit stöchiometrischem Betrieb oder überstöchiomet- risch erfolgen.

[0024] Der Brenner 10 ist vorzugsweise als sogenannter Rekupera ^¬ torbrenner ausgebildet, der dazu eingerichtet ist, einem durch Pfeile 14, 15, 16 angedeuteten Abgasstrom Wärme zu entziehen, um dadurch insbesondere einen durch einen Pfeil 17 angedeute ^¬ ten Frischluftstrom Wärme zuzuführen. Dazu weist der Rekuperatorbrenner 10 einen Rekuperator 18 auf, der vorzugsweise als vorzugsweise profiliertes Rohr mit geschlossener Wandung aus ^¬ gebildet ist und der mit seiner Außenseite einen Abgaskanal 19 begrenzt . [0025] Der Rekuperator 18 kann zum Beispiel aus Metall oder, wie es bevorzugt wird, aus Keramik bestehen und an seiner Außenseite Strukturen zur Vergrößerung der Oberfläche und Verbesserung des Wärmeaustauschs mit dem Abgas aufweisen. Solche

Strukturen können Vorsprünge und/oder Rücksprünge, Zacken, Noppen oder dergleichen sein. Der Rekuperator 18 erstreckt sich konzentrisch zur Längsmittelachse des Rekuperatorbrenners 10 und ist dabei vorzugswiese außerhalb des Ofenraums 11 in einem Brennerkopf 20 gehalten. Entsprechende Haltemittel sind aus der Praxis bekannt und in Figur 1 nicht weiter veranschau ^¬ licht .

[0026] An den eigentlichen Rekuperator 20 schließt sich ein Fortsatz 21 an, der vorzugsweise ebenfalls rohrförmig ausge ^¬ bildet ist. Der Fortsatz 21 kann unmittelbar einstückiger Bestandteil des Rekuperators 18 sein und sich von diesem in axi ^¬ aler Verlängerung weg erstrecken. Auch dieser Fortsatz 21 kann zur Rekuperation (Wärmerückgewinnung) dienen. Vorzugsweise erstreckt sich der Rekuperator 18 durch die Ofenwand während der Fortsatz 21 vorzugsweise einen in den Ofenraum 11 hinein ragenden Teil bildet.

[0027] Der Fortsatz 21 kann eine der vorzugsweise mehrere Öff ^¬ nungen 22 aufweisen, die seine Wandung durchsetzen und von seinem Innenraum heraus in den Abgaskanal 19 führen. Diese Öffnungen 22 dienen als Lufteinleiteinrichtung 23 zur Einleitung von Ausbrandkluft in den Abgaskanal 19.

[0028] An seinem freien Ende ist der Fortsatz 21 mit mindestens einer Öffnung 24 versehen, die eine Brennermündung 25 bildet und konzentrisch zu der Brennerachse angeordnet ist. Sowohl die Öffnungen 22 als auch die Öffnung 24 werden mit Frischluft beaufschlagt, die an dem Brennerkopf 20, wie von dem Pfeil 17 angedeutet, in den Innenraum des Rekuperators 18 eingeleitet wird und an der Öffnung 24 als Brennerluft (Primärluft) und an den Öffnungen 22 als Ausbrandluft (Sekundärluft) austritt.

[0029] Der Rekuperator 18 und der Fortsatz 21 sind von einem Rohr 26 umgeben, das sich durch die Ofenwand erstreckt und in den Innenraum 11 ragt. Das Rohr 26 ist vorzugsweise konzent ^¬ risch zu dem Rekuperator 18 und dem Fortsatz 21 angeordnet und begrenzt den Abgaskanal 19 radial nach außen. Vorzugsweise durchragt der Fortsatz 21 das Rohr 26, so dass die Brennermündung 25 aus dem Rohr 26 herausschaut. Der in den Ofenraum 11 ragende Teil des Rohrs 26 dient als Strahlungsheizrohr. Es wird von dem im Abgaskanal 19 fließenden Abgas und der darin stattfindenden Nachverbrennung beheizt, die durch die von der Lufteinleiteinrichtung 23 zugeführte Ausbrandluft unterhalten wird. Vorzugsweise ist die Nachverbrennung in dem Abgasstrom abgeschlossen, bevor der Abgasstrom den Rekuperator 18 erreicht. Der Fortsatz 21 kann als Nebenfunktion zur Rekuperati- on beitragen. Dies verbessert die Energieausbeute des Brenners 10.

[0030] Zentral erstreckt sich durch den Rekuperator 18 und den Fortsatz 21 eine Brennstoffzufuhrleitung 27, deren offenes Ende auf die Brennermündung 25 gerichtet ist und durch diese hindurch Brennstoff in den Ofenraum 11 abgibt.

[0031] Der insoweit beschriebene Rekuperatorbrenner 10 arbeitet wie folgt:

[0032] Während des Betriebs wird flüssiger oder gasförmiger Brennstoff über die Brennstoffleitung 27 in den Brenner eingeleitet, wie der Pfeil 28 andeutet. Außerdem wird in den Reku ^¬ perator Luft eingeleitet (Pfeil 17) und es werden durch den Abgaskanal 19 Abgase abgesaugt (Pfeile 14, 15, 16) . Im statio ^¬ nären Betrieb beheizt das durch den Abgaskanal 19 abströmende Abgas den Fortsatz 21 und den Rekuperator 18, der seinerseits die zuströmende Luft erhitzt. An der Brennermündung 25 tritt ein Strom bestehend aus vorgeheizter Luft und Brennstoff aus, der je nach Betriebsführung entweder mit Flamme verbrennt oder aufgrund einer großräumigen Abgasrezirkulation und eines ausreichenden Impulses der Frischluft und des Brennstoffs in dem aufgeheizten Ofenraum flammenlos oxidiert. Der Brenner 10 kann somit bedarfsentsprechend entweder zur Flammenlosen Oxidation oder zum Flammenbetrieb eingerichtet sein.

[0033] Die zugeführte Brennstoffmenge und die durch die Öffnung 24 ausströmende Primär-Luftmenge sind so aufeinander abge ^¬ stimmt, dass sich in dem Ofenraum 11 eine unterstöchiometri- sche Verbrennung ergibt. Zum Beispiel werden an der Öffnung 24 nur 70% bis 90%, vorzugsweise nur 80% der für eine vollständi ^¬ ge Verbrennung benötigten Luft abgegeben, wodurch sich eine reduzierende Ofenatmosphäre ergibt (λ = 0,8) . In dieser Ofen ^¬ atmosphäre können Brennstoffreste, teilverbrannter Brennstoff und insbesondere auch Kohlenmonoxid vorhanden sein. Dieses Ab ^¬ gas tritt, wie die Pfeile 14, 15 andeuten, in den Abgaskanal 19 ein. Über die Öffnungen 22 werden nun die restlichen 20% der für die vollständige Verbrennung benötigten Luft als Ausbrandluft in den Abgaskanal 19 gegeben. Die hier stattfindende Nachverbrennung beheizt den betreffenden Teil des Rohrs 26 und strömt dann dem Rekuperator 18 zu.

[0034] Die Aufteilung der Luft auf die Brennermündung 25 und die Lufteinleiteinrichtung 23 wird vorzugsweise durch das Verhält ^¬ nis der Querschnitte der Öffnungen 24, 22 zueinander bestimmt. Damit kann die Lufteinteilung mit der Herstellung des Rekuperatorbrenners 10 fest vorgegeben werden. Der Rekuperatorbrenner 10 wird vorzugsweise im Impulsbetrieb oder im Dauerbetrieb befeuert. Modulierender Betrieb ist möglich, jedoch für die meisten Anwendungsfälle nicht erforderlich. Durch den Impulsbetrieb kennt der Rekuperatorbrenner 10 letztlich lediglich drei Betriebszustände nämlich a) Aufheizen, b) aufgeheizter Betrieb und c) Betriebspause. Bei aufgeheiztem Betreib wird der Rekuperatorbrenner 10 mit vorgegebener Brennstoff- und Luftzufuhr und Abgasabfuhr betrieben. Damit ist sichergestellt, dass das Verhältnis zwischen Brennerluft und Ausbrand ^¬ luft wie vorgegeben eingehalten wird.

[0035] Bei modulierendem Betrieb ist es möglich, dass sich auf ^¬ grund unterschiedlicher nichtlinearer Strömungswiderstände der Öffnungen 22 und 24 das Verhältnis zwischen Brennerluft (Pri ^¬ märluft) und Ausbrandluft (Sekundärluft) bei Teillast gegen ^¬ über Volllast verschiebt. Dieser Effekt kann auch in Kombina ^¬ tion mit Impulsbetrieb bewusst zur Steuerung der Zusammenset ^¬ zung der Ofenatmosphäre genutzt werden.

[0036] Der in Figur 1 veranschauliche Rekuperatorbrenner 10 beheizt das Wärmegut 13 teilweise direkt durch Flamme oder flam ^¬ menlose Oxidation und teilweise indirekt durch Wärmestrahlung von dem Rohr 26. Er verbindet hohe Brennstoffausnutzung durch hohe Wärmerückgewinnung mit schonender Erwärmung des Wärmeguts 13 durch Vermeidung lokaler Wärmespitzen und Vermeidung von oxidativer Belastung des Wärmeguts mit guten Abgaswerten.

[0037] Figur 2 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform eines Rekuperatorbrenners 10, für den die vorstehende Be ^¬ schreibung unter Zugrundlegung gleicher Bezugszeichen entsprechend gilt. Jedoch beschränkt sich im Gegensatz zu dem vorste ^¬ hend beschriebenen Rekuperatorbrenner 10 die Lufteinleiteinrichtung 23 auf wenige Öffnungen 22, die in der Nähe des vorderen Endes des Fortsatzes 21 angebracht sind. Damit wird die

Lufteinleitung in den Abgaskanal 19 auf den abgaseintrittsna- hen Teil des (Strahlungsheiz) -Rohrs 26 beschränkt. Die Öffnun ^¬ gen 22 können dabei radial gerichtet sein, wie es Figur 1 und 2 andeuten. Die Größe der Öffnungen 22 kann für alle Öffnungen 22 gleich bemessen sein. Alternativ kann die Größe der Öffnungen 22 bei der Ausführungsform nach Figur 1 auch in Axialrichtung des Fortsatzes 21 variieren. Zum Beispiel kann sie von der Brennermündung 25 weg zunehmen oder abnehmen.

[0038] Wie Figur 3 zeigt, können die Öffnungen 22 für die Aus ^¬ brandluft auch etwa auf Höhe des Endes des Strahlrohrs 26 an ^¬ geordnet sein und dem austretenden Ausbrandluftstrom neben einer Radialkomponente auch eine axiale Komponente geben. In dem Abgaskanal 19 ist bei allen Ausführungsformen sowohl flammenbehaftet als auch flammenlose Oxidation möglich.

[0039] Die Brennermündung 25 kann wie Figur 4 zeigt, auch mehrere Austrittsöffnungen 24 umfassen, was insbesondere von Bedeutung sein kann, wenn deren Austrittsrichtung radial oder schräg zur Axialen des Rekuperatorbrenners 10 gerichtet ist. Ein solcher Rekuperatorbrenner 10 kann immer einen Ofenraum 12 nach Figur 1 zum Beispiel an der Ofenraumoberseite hängend an ^¬ geordnet sein und dennoch ein Auftreffen des BrennstoffStroms auf das Wärmegut 13 vermeiden.

[0040] Erfindungsgemäß wird ein Rekuperatorbrenner 10 vorgese ^¬ hen, der einen Ofenraum 11 unterstöchiometrisch befeuert. Der Rekuperatorbrenner ist in einem zum Ofenraum hin offenen

Strahlrohr 26 angeordnet, das in den Ofenraum ragt. Das

Strahlrohr 26 bildet mit dem Rekuperator 18 bzw. einem Fortsatz 21 einen Abgaskanal 19, in den mittels einer Lufteinleit ^¬ einrichtung 23 Ausbrandluft eingeleitet wird. Die somit in dem Abgaskanal 19 auftretende Nachverbrennung beheizt das Strahl ^¬ rohr 26. Der Ofenraum 11 wird teilweise direkt durch Brenn- Stoff und Luft und teilweise indirekt durch das Strahlrohr 26 beheizt. Durch die Nachverbrennung in dem Abgaskanal 19 wird eine zu hohe CO-Emission vermieden. Durch die Nutzung der hier entstehenden Wärme durch das Strahlrohr 26 werden andererseits zu hohe Abgastemperaturen vermieden und die thermische Ausnut ^¬ zung des Brennstoffs optimiert.

Bezugs zeichen