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Title:
TUBULAR BURNER FOR INDUSTRIAL FURNACES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/075565
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a tubular burner (1) for industrial furnaces (2). Said burner comprises an end section that extends into a combustion chamber (7) which is supplied with secondary combustion air (6). It also comprises a plurality of separate annular supply channels for combustion gas (9) and fuel (8) which are limited by tubular walls that are coaxially nested into one another. Individual nozzles (16) are distributed in a substantially ring-shaped configuration on the front face (17) of the combustion gas supply channel that faces the combustion chamber. In order to achieve a good combustion gas/combustion air fuel ratio, at least one outer annular supply channel (13) is substantially configured as a fuel supply channel while the combustion gas supply channel that is provided with individual nozzles is mounted radially (11) within said fuel supply channel.

Inventors:
Kästingschäfer, Gerhard (Kolpingstrasse 6 Wadersloh, D-59329, DE)
Woestmann, Thomas (Wolbecker Strasse 148 Münster, D-48155, DE)
Wilde, Oliver (Hermann-Löns-Weg 18 Beckum, D-59269, DE)
Mainusch, Sebastian (Am Stadtgraben 1 Warendorf, D-48231, DE)
Körting, Reinhard (Amtmann-Brüning-Strasse 23a Ennigerloh, D-59320, DE)
Kroner, Andreas (Tenge-Rietberg-Strasse 23 Schloss-Holte-Stukenbrock, D-33758, DE)
Application Number:
PCT/EP2000/004060
Publication Date:
December 14, 2000
Filing Date:
May 05, 2000
Export Citation:
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Assignee:
KRUPP POLYSIUS AG (Graf-Galen-Strasse 17 Beckum, D-59269, DE)
Kästingschäfer, Gerhard (Kolpingstrasse 6 Wadersloh, D-59329, DE)
Woestmann, Thomas (Wolbecker Strasse 148 Münster, D-48155, DE)
Wilde, Oliver (Hermann-Löns-Weg 18 Beckum, D-59269, DE)
Mainusch, Sebastian (Am Stadtgraben 1 Warendorf, D-48231, DE)
Körting, Reinhard (Amtmann-Brüning-Strasse 23a Ennigerloh, D-59320, DE)
Kroner, Andreas (Tenge-Rietberg-Strasse 23 Schloss-Holte-Stukenbrock, D-33758, DE)
International Classes:
F23D14/48; F23D17/00; (IPC1-7): F23C7/00; F23D14/22; F23D17/00
Domestic Patent References:
WO1998006978A1
Foreign References:
EP0628768A1
US4394120A
DE19648981A1
US4095929A
DE1060082B
EP0974552A2
DE4319363A1
DE19648981A1
Attorney, Agent or Firm:
Tetzner, Volkmar (Van-Gogh-Strasse 3 München, D-81479, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Rohrförmiger Brenner für Industrieöfen (2), enthal tend a) einen in einen mit Sekundärverbrennungsluft (6) versorgten Brennraum (7) des Ofens (2) hineinra genden inneren Endabschnitt (la), b) mehrere mit radialen Abständen zueinander und koaxial ineinander angeordnete Rohrwände (10, 11,12), die mehrere gesonderte und im Quer schnitt etwa ringförmige Zuführkanäle (13,14) für Verbrennungsgas (9) und Brennstoff (8) be grenzen, wobei c) in der in den Brennraum (7) weisenden Stirnseite (14c) wenigstens eines im wesentlichen für die Verbrennungsgaszufuhr (9) ausgebildeten Zuführ kanales (14) eine Anzahl von Einzeldüsen (16) etwa ringförmig verteilt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß d)im Querschnitt des inneren Brennerendabschnit tes (la) betrachtetwenigstens ein äußerer ringförmiger Zuführkanal im wesentlichen als BrennstoffZuführkanal (13) ausgeführt und der mit den Einzeldüsen (16) versehene Verbrennungs gasZuführkanal (14) radial innerhalb dieses BrennstoffZuführkanales (13) angeordnet ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der BrennstoffZuführkanal (13) an seinem in den Ofenbrennraum (7) weisenden Stirnende etwa in Form einer frei ausmündenden Ringdüse (13a) ausgebildet ist.
3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der VerbrennungsgasZuführkanal (14) im wesentlichen für die Zufuhr von Primärverbrennungsluft (Primärluft 9) und/oder wahlweise für die Zufuhr von Brenngas oder ein PrimärluftBrenngasGemisch vorge sehen ist.
4. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmig verteilt angeordneten Einzeldüsen (16) in einer am Stirnende (14c) des Verbrennungs gasZuführkanales (14) angebrachten, ringförmigen Stirnwand (17) gehaltert sind.
5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldüsen (16) hinsichtlich ihrer Ausström richtung (9a) parallel zur Ausströmrichtung (8) des sie außen umgebenden BrennstoffZuführkanales (13) ausgerichtet sind.
6. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldüsen (16) hinsichtlich ihrer Ausström richtung in einem bestimmten Winkel zur Ausström richtung des sie umgebenden BrennstoffZuführkanales (13) ausgerichtet sind.
7. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldüsen (16) hinsichtlich ihrer Ausström richtung in einem bestimmten Winkel zur Ausström richtung des sie umgebenden BrennstoffZuführkanales (13) einstellbar sind.
Description:
Rohrförmiger Brenner für Industrieöfen Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen Brenner für Industrieöfen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspru- ches 1.

Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet eines sol- chen Brenners sind Wärmebehandlungsanlagen für minera- lische Güter, beispielsweise Öfen bzw. Ofenanlagen zur Wärmebehandlung bzw. zum Brennen von Zementklinker, Kalk, Erzen u. dgl., wobei Drehrohröfen, Calcinieröfen bzw. Calciniereinrichtungen usw. als Industrieöfen bzw.

Industrieofenanlagen besonders in Frage kommen.

Gerade bei Industrieöfen der zuvor angedeuteten Art ist es von Bedeutung, daß der Verbrennungsprozeß durch die Gestaltung und Betriebsweise des Brenners beeinflußt werden kann, um die verfahrenstechnischen Aufgaben in solchen Industrieöfen bzw. Ofenanlagen beispielsweise in Anpassung an die jeweiligen Rohmaterialeigenschaf- ten, die gewünschten Qualitätsmerkmale des zu erzeu- genden Produktes, unterschiedliche Brennstoffarten usw. erfüllen zu können. Ferner müssen dabei auch die vorge- schriebenen Emissionswerte etwa hinsichtlich Kohlendio- xid und Stickoxid solcher Industrieöfen eingehalten werden, wobei der zugehörige Brenner-und damit auch der entsprechende Ofen-energetisch und wirtschaftlich günstig betrieben werden soll. Zu diesem Zweck ist man bestrebt, mit Hilfe des Brenners im Ofenbrennraum eine optimale Flamme auszubilden, indem eine günstige Vermi- schung der zugeführten Verbrennungsluft bzw. des zuge- führten Verbrennungsgases mit dem zugeführten Brenn- stoff herbeigeführt wird.

Es sind daher bereits verschiedene Brennerausführungen bekannt geworden (z. B. DE-A-43 19 363 und DE-A-196 48 981), in denen mehrere koaxial angeordnete Rohrwände mehrere gesonderte, im Querschnitt etwa ringförmige Zu- führkanäle für Verbrennungsgas bzw. Verbrennungsluft und Brennstoff begrenzen. Dabei sind an dem in den Brennraum ausmündenden Brennerstirnende des für die Verbrennungsgaszufuhr bestimmten äußeren ringförmigen Zuführkanales Einzeldüsen etwa ringförmig verteilt an- geordnet, die einen innerhalb dieses Verbrennungsgas- Zuführkanales liegenden Brennstoff-Zuführkanal umgeben und für eine Vermischung von zugeführtem Brennstoff und Verbrennungsgas dadurch sorgen sollen, daß sie in ihrer radialen und/oder tangentialen Ausströmrichtung ein- stellbar sind. Die Praxis hat nun jedoch gezeigt, daß die gewünschte gute Vermischung zwischen Verbrennungs- gas bzw. Verbrennungsluft und Brennstoff nur sehr unzu- reichend erzielt werden kann. Dabei wird v. a. die ge- sondert in den Brennraum eingeführte und im Außenum- fangsbereich des Brenners zuströmende Sekundärverbren- nungsluft (Sekundärluft) meist ungenügend in dieses Verbrennungsgas-/Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch einbezogen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, daß die Einmischung von Brennstoff in das gesamte Verbrennungsgas bzw. in die gesamte Verbren- nungsluft und damit der ganze Verbrennungsprozeß (Zündung, Ausbrand der Brennstoffe, NOX-Bildung, Flam- menform und-länge) optimal beeinflußt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzei- chen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Brennerausführung ist nun- im Querschnitt des inneren Brennermundstückes be- trachtet-wenigstens ein äußerer ringförmiger Zu- führkanal im wesentlichen als Brennstoff-Zuführkanal ausgeführt, und der mit den Einzeldüsen versehene Ver- brennungsgas-Zuführkanal ist radial innerhalb dieses Brennstoff-Zuführkanales angeordnet. Bezieht man sich bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung beispielsweise auf einen besonders praxisnahen Einsatz dieses Brenners etwa in einem Drehrohrofen, in dessen Brennraum sauer- stoffreiche, vorgewärmte Sekundärverbrennungsluft, so- genannte"Sekundärluft"beispielsweise aus einem dem Drehrohrofen nachgeschalteten Kühler direkt zugeführt wird, wobei sie wenigstens teilweise an der Außenum- fangsseite des inneren Brennerendabschnittes entlang- bzw. zuströmt, während weiteres Verbrennungsgas, insbe- sondere sogenannte"Primärluft"über den inneren Ring von Einzeldüsen und Brennstoff durch den äußeren ring- förmigen Brennstoff-Zuführkanal zugeführt werden, dann läßt sich gut vorstellen, daß durch die radial innen liegenden Einzeldüsen der in den Brennraum einströmende Brennstoff mittels der Primärluft in die von außen her zuströmende Sekundärverbrennungsluft gezielt eingebla- sen wird. Dies bedeutet somit, daß durch die über die Einzeldüsen einströmende Primärluft (als Verbrennungs- gas) der durch den wenigstens einen äußeren Brennstoff- Zuführkanal einströmende Brennstoff zumindest etwa ra- dial nach außen in Richtung des Brennerumfangs und da- mit in die dort einströmende Sekundärluft eingeblasen wird, wodurch sich eine sehr intensive und rasche Ein-

mischung von Primärluft und Brennstoff in die von außen her einströmende Sekundärluft ergibt. Aufgrund der Lage der Einzeldüsen (radial innerhalb des Brennstoff-Zu- führkanales) wird der Brennstoff durch einen hohen Im- puls in die erwärmte bzw. heiße Sekundärluft einge- mischt, was zu einer raschen Zündung des Brennstoffes führt. Der Grad der Ein-und Vermischung von Primär- und Sekundärluft mit Brennstoff (bzw. den Brennstoffen) wird in Abhängigkeit der jeweiligen Brennstoffe, der Beladung der Sekundärluft mit Staub und Chemikalien, der Ofengeometrie durch eine entsprechende Ausrichtung der radial innen liegenden Einzeldüsen gesteuert. Auf diese Weise beeinflußt der Grad der Einmischung den ge- samten Verbrennungsprozeß (d. h. Zündung, Ausbrand der Brennstoffe, NOx-Bildung, Flammenform un-lange usw.) ganz wesentlich. Gerade bei dem Einsatz dieses erfin- dungsgemäßen Brenners in einem Drehrohrofen zur Her- stellung von Zementklinker kann der Wärmebehandlungs- bzw. Brennprozeß hinsichtlich der Erzielung einer guten Klinkerqualität und hinsichtlich einer hohen Verfügbar- keit des zugehörigen Drehrohrofens optimal gesteuert werden. Es sei in diesem Zusammenhang jedoch auch dar- auf hingewiesen, daß der erfindungsgemäß ausgeführte Brenner nicht nur in einem Drehrohrofen, sondern auch in anderen Industrieöfen bzw. Industrieofenanlagen ein- gesetzt werden kann, wo ein vergleichbarer Wärmebehand- lungs-bzw. Brennprozeß durchgeführt werden soll, wie es beispielsweise in Calcinieröfen bzw. Calcinierein- richtungen, in Brennöfen zum Brennen von Kalk, zur Wär- mebehandlung von Erzen und dergleichen mehr der Fall ist.

Die Einzeldüsen können hinsichtlich ihrer Ausströmungs- richtung nicht nur parallel, sondern auch mit einem be-

stimmten Winkel zur Ausströmrichtung des sie außen um- gebenden Brennstoff-Zuführkanals ausgerichtet werden.

Dabei ist auch denkbar, daß der Ausrichtungswinkel der Einzeldüsen einstellbar ist. Mit einer schrägen Aus- richtung der Einzeldüsen in bezug auf die Ausströmrich- tung des sie umgebenden Brennstoff-Zuführkanals besteht die Möglichkeit, die über die Einzeldüsen in den Brenn- raum einströmende Primärluft (bzw. das Primärverbren- nungsgas) mehr oder weniger stark nach außen divergie- rend einzublasen. Bei einer windschiefen Anordnung der Einzeldüsen in bezug auf den sie umgebenden Brennstoff- zuführkanal kann zudem ein entsprechender Drall erzeugt werden, so daß der Vermischungseffekt von Primärluft und Brennstoff mit der Sekundärluft und damit die Be- einflussung des gesamten Verbrennungsprozesses noch entsprechend gesteigert werden kann. Dieses Ausrichten der Einzeldüsen kann somit nach der einen Ausführungs- variante nach optimalen Erkenntnissen als Grundeinstel- lung fest vorgenommen werden, oder die Einzeldüsen kön- nen gemäß der anderen Ausführungsvariante je nach den gegebenen Verhältnisses immer wieder neu eingestellt werden (sei es während des Betriebes, sei es während eines Betriebsstillstandes).

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß der wenigstens eine äußere Brennstoff-Zuführkanal zwar im wesentlichen für die Zufuhr der entsprechenden Brennstoffe (flüssig, gasförmig oder feinkörnig bzw. pulverförmig) bestimmt ist, dort jedoch durchaus auch ein gewisser Anteil an Verbrennungsluft (im Gemisch mit den Brennstoffen) zugeführt werden kann. Und in ähnli- cher Weise kann auch dem über die Einzeldüsen zugeführ- ten Verbrennungsgas bzw. der dort eingeführten Primär-

luft im Bedarfsfalle ein gewisser Anteil an Brennstoff eingemischt werden.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einer weitgehend schematischen Zeichnung noch etwas näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines beispielsweise als Drehrohrofen ausgebildeten Industrieofens, der mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Brenner ausgerüstet ist ; Fig. 2 eine teilweise geschnittene Längsansicht des inneren Brenner-Endabschnittes (etwa entspre- chend Ausschnitt II in Fig. 1) ; Fig. 3 eine Stirnansicht auf das innere Brennerende (entsprechend Pfeil III in Fig. 2).

Der erfindungsgemäß ausgeführte rohrförmige Brenner 1 sei nachfolgend anhand eines besonders typischen Anwen- dungs-bzw. Einsatzbeispieles beschrieben, und zwar bei der Verwendung an bzw. in einem Drehrohrofen 2 zur Her- stellung von Zementklinker. Von diesem Drehrohrofen 2 ist in Fig. l lediglich das brennerseitige bzw. auslauf- seitige Ofenende 2a ganz grob und schematisch veran- schaulicht, d. h. dieser Drehrohrofen 2 kann in jeder geeigneten Weise ausgeführt sein. Dieses auslaufseitige Ofenende 2a ragt in einen üblichen Ofenauslaufkopf 3 hinein, durch den das Ofenende 2a mit dem Einlauf 4a irgendeines geeigneten und daher in Fig. 1 nur kurz an- gedeuteten Kühlers 4 verbunden ist. Wie allgemein be- kannt und in Fig. 1 durch gestrichelte Pfeile 5 angedeu- tet ist, fällt aus dem Ofenende 2a austretender, fertig

gebrannter heißer Zementklinker in den Kühler 4, wo er mit Hilfe von Kühlgas, insbesondere Kühlluft, abgekühlt wird. Die dadurch erwärmte Kühlerabluft wird wenigstens teilweise entsprechend den durchgehend gezeichneten Pfeilen 6 als Sekundärverbrennungsluft-nachfolgend nur als"Sekundärluft"bezeichnet-direkt in den Brennraum 7 innerhalb des Drehrohrofenendes 2a einge- führt.

Der erfindungsgemäß ausgeführte rohrförmige Brenner 1 ragt-wie an sich bekannt-mit seinem inneren Endab- schnitt bzw. Mundstück la stirnseitig von hinten her und etwa axial in das Drehrohrofenende 2a hinein, und zwar in dessen Brennraum 7.

Der Brenner 1 wird-wie in Fig. 1 schematisch angedeu- tet-im Bereich seines außerhalb des Drehrohrofens 2 befindlichen äußeren Endabschnittes lb über entspre- chende Zuführleitungen mit Brennstoff (strichpunktierte Pfeile 8) und Verbrennungsgas, insbesondere Primärluft (gestrichelte Pfeile 9) sowie ggf. noch durch weitere Zündbrennstoffe und Zündluft in grundsätzlich bekannter Weise versorgt.

Der weitere Aufbau des erfindungsgemäßen Brenners 1 sei insbesondere anhand der Fig. 2 und 3 und dabei vor allem im Bereich seines Mundstücks la näher erläutert. Hier- nach enthält der Brenner 1 bzw. sein Mundstück la meh- rere mit radialen Abständen zueinander und koaxial in- einander angeordnete Rohrwände, nämlich eine äußere Rohrwand 10, eine koaxial und innerhalb dieser äußeren Rohrwand 10 liegende erste innere Rohrwand 11 sowie zu- mindest eine weitere koaxial innerhalb dieser ersten inneren Rohrwand 11 liegende zweite bzw. zentrale Rohr-

wand 12. Diese Rohrwände 10,11,12 begrenzen mehrere gesonderte, im Querschnitt etwa ringförmige Zu- führkanäle, und zwar einen äußeren ringförmigen Zuführ- kanal 13, einen koaxial innerhalb dieses äußeren Zu- führkanales 13 liegenden inneren ringförmigen Zuführka- nal 14 sowie zumindest noch einen weiteren inneren Zu- führkanal 15, der in diesem Falle als im Querschnitt etwa kreisförmiger Zuführkanal 15 innerhalb der zentra- len Rohrwand 12 beispielsweise für hier nicht näher veranschaulichte, da an sich bekannte Zündbrenner oder dergleichen ausgebildet sein kann. In dem in den Brenn- raum 7 weisenden Stirnende 14c des im wesentlichen für die Verbrennungsgaszufuhr, also im vorliegenden Falle für die Primärluftzufuhr (Pfeile 9) ausgebildeten inne- ren Zuführkanal 14 ist eine Anzahl von Einzeldüsen 16 etwa-wie in Fig. 3 angedeutet-ringförmig verteilt angeordnet, wobei sie-wie später nochmals erwähnt wird-fest oder einstellbar in einer ringförmigen Stirnwand 17 gehaltert sind, die am bzw. im Stirnende 14c des Primärluft-Zuführkanales 14 fest angebracht ist.

Bei diesem erfindungsgemäßen Brenner 1 ist nun-im Querschnitt des Mundstücks la betrachtet-der äußere (bzw. äußerste) ringförmige Zuführkanal im wesentlichen als Brennstoff-Zuführkanal 13 ausgeführt, während-wie zuvor bereits angedeutet-der mit den Einzeldüsen 16 versehene Verbrennungsgas-bzw. Primärluft-Zuführkanal 14 radial innerhalb dieses Brennstoff-Zuführkanales 13 angeordnet ist (wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen).

Es sei an dieser Stelle auch erwähnt, daß es-in Ab- weichung von dem anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel-grundsätzlich auch möglich ist,

mehrere ringförmige Brennstoff-Zuführkanäle und mehrere Verbrennungsgas-bzw. Primärluft-Zuführkanäle vorzuse- hen, ohne das Grundprinzip dieser erfindungsgemäßen Konstruktion zu verlassen, wobei auch die Einzeldüsen in mehreren koaxial zueinander liegenden, ringförmig zusammengeordneten Einzeldüsengruppen vorgesehen sein können. Es sei auch betont, daß jede beliebige bzw. ge- eignete Anzahl von Einzeldüsen 16-in Anpassung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse, Brennstoffe usw.- vorgesehen werden kann.

Die Darstellungen in den Fig. 2 und 3 zeigen ferner, daß der äußere Brennstoff-Zuführkanal 13 an seinem in den Ofenraum 7 weisenden Stirnende zweckmäßig etwa in Form einer frei (d. h. offen und im wesentlichen ungehindert) ausmündenden Ringdüse (13a) ausgebildet ist.

Die Einzeldüsen 16 können grundsätzlich-wie in den Fig. 2 und 3 in ausgezogenen Linien dargestellt ist-in ihrer Ausströmrichtung parallel zur Brennerlängsachse ld ausgerichtet sein, um den weiter oben beschriebenen verbesserten Einmischungseffekt des Brennstoffes in die Verbrennungsluft, insbesondere in die Sekundärluft sicherzustellen. Besonders vorteilhaft kann es jedoch auch sein, wenn die Einzeldüsen 16 hinsichtlich ihrer Ausströmrichtung (vgl. in Fig. 2 gestrichelte Pfeile 9a) schräg, d. h. in einem bestimmten Winkel zur Ausström- richtung (strichpunktierte Pfeile 8) des sie außen um- gebenden Brennstoff-Zuführkanales 13) ausgerichtet sind, wie es in Fig. 2 und 3 nur teilweise und ganz schematisch strichpunktiert angedeutet ist. Dies kann zum einen auf einfache Weise dadurch geschehen, daß die Einzeldüsen 16 bei der Herstellung des Brenners 1 in einer geeigneten Grundeinstellung fest (und dabei even-

tuell austauschbar) in der zugehörigen Stirnwand 17 an- gebracht werden. Zum andern besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese Einzeldüsen 16 in der zugehörigen Stirnwand 17 einstellbar, beispielsweise mittels einer Kugelkalotte derart zu haltern, daß sie hinsichtlich ihrer Ausströmrichtung schräg oder windschief zur Aus- strömrichtung des sie umgebenden Brennstoff-Zuführka- nals eingestellt werden können. Bei einer schrägen Aus- richtung wird beispielsweise lediglich das Einströmende der Einzeldüsen 16 im wesentlichen radial zur Brenner- achse ld verschoben. Bei einer windschiefen Ausrichtung der Einzeldüsen 16 wird das Einströmende der Einzeldü- sen 16 auf einen konzentrischen Kreis um die Brenner- achse ld bewegt. Diese Einstellmöglichkeiten der Einzeldüsen 16 sind in der Zeichnung nicht näher veranschaulicht, da sie generell zum Stand der Technik gehört, d. h. diese Einzeldüsen 16 können etwa in der beispielsweise aus DE-A-196 48 981 bekannten Weise ein- stellbar gehaltert sein.