Die Erfindung betrifft eine sogenannte Primärmaßnahme zur Min¬ derung der Stickoxidbildung bei Industrieofenbefeuerungen in Form einer Vorrichtung zur Brenngaseinbringung an Wannenöfen, bestehend aus den Bauteilen Brennerdüse, Brennerdüsenstein und einer dazwischen angeordneten Düsensteinvorsatzplatte und da¬ durch gekennzeichnet, daß deren Aneinanderreihung eine zwangs¬ geführte, gemeinsame Achse des Gasstrahlraumes aufweist, daß dieser Gasstrahlraum eine geschlossene Mantellinie besitzt und in Form eines Diffusors mit einen Öffnungswinkel von etwa 19 Grad ausgebildet ist.

Da Hochtemperaturöfen, wie beispielsweise Glasschmelzwannen, Prozeßtemperaturen um 1600°C aufweisen, liegen die erforderli- chen Temperaturen der Wärmequelle, also die Flammentemperatu¬ ren, zwangsläufig deutlich über diesem Niveau. In der Folge ist die Bildung des überwiegend für die Gesamtausbringung ver¬ antwortlichen, sogenannten thermischen NO, die bei 1600°C ein¬ setzt und sehr stark mit steigender Temperatur zunimmt, nicht vollständig vermeidbar, solange Luft an der Verbrennung betei¬ ligt ist.

Zahlreiche bekanntgewordene Verfahren und Vorschläge zur pri¬ mären NOx-Minderung mittels Flammentemperaturabsenkung sind für Hochtemperaturprozesse damit nicht anwendbar, wenig wirk- sam oder sogar kontraproduktiv. Obwohl der grundlegende Me¬ chanismus der thermischen NO-Bildung durch J.A. Zeldovich (1948) und Bauich (1991) aufgeklärt ist, sind die Erfolge primärer NOx- Minderung im Hochtemperaturbereich bescheiden im Vergleich mit kälteren Öfen, insbesondere weil der Zugriff über die Absenkung der Flammentemperatur hier verbrennungs¬ technisch nur sehr begrenzt möglich ist und diese Maßnahme, sobald sie allein ausgeführt wird, schmelztechnologisch mit unakzeptablen Nachteilen bei Brennstoffverbrauch und Ofen-

leistungsparametern verbunden ist. Der hier insbesondere in Betracht kommende Stand der Technik primärer NOx-Minderung bei Hochtemperaturöfen ist gekennzeichnet zum einen durch die Aushaltung von Luft bei der Verbrennung, wobei diese durch möglichst reinen Sauerstoff ersetzt wird ( oxy-fuel- Verfah¬ ren) , zum andern durch nah- oder unterstöchiometrische Luftzu- führung zur Verbrennung, die ggf.auch.stufenweise vorgenommen wird (u.a.Luftstufungsverfahren) .Darüber hinaus sind Brenner bekannt geworden, die die Minderung örtlich überhöhter Tempe¬ raturen der Flamme durch Stelleingriffe am Brenner bezüglich der Zerstäubercharakteristik ermöglichen und damit die e pi- rische Ermittlung günstiger Einstellparameter durch den Be¬ treiber zulassen, wobei die ofentechnologischen Rückwirkungen anderweitig aufzufangen oder hinzunehmemen sind. Die Wirksam¬ keit der Methode beruht dann zumeist auf der Nutzung bislang unerkannter Reserven im zufälligen Arbeitsbereich, der ledig- lieh durch das zusätzliche Stellglied um einen oder mehrere Freiheitsgrade erweitert wird. Damit bleiben gerade im Hoch¬ temperaturbereich die Effekte von an sich bekannten Zerstäu¬ bern, die nur um die Regelbarkeit angereicherten wurden, nach¬ folgend innovativer Arbeit überlassen. Bei Gasbrennern weist die seit langem bekannte, oft modifizierte, sogenannte Gas- Gasdüse in diesem beschränkten Rahmen relativ günstige Werte auf. Mit P 42 25 257 DE und P 195 20 649.5 sind darüberhinaus stickoxidmindernden Verfahren für Industrieöfen bekannt gewor¬ den, die den Widerspruch zwischen der Flammentemperaturabsen- kung und der Leistung des Ofens dadurch auflösen, daß kältere Flammen mit einer veränderten Flammenlage im Ofen kombiniert werden, wobei sich beide Aspekte gegebenenfalls gegenseitig begünstigen. Damit eröffnen diese Verfahren prinzipiell die Aufgabenstellung für zwei Arbeitsrichtungen; zum einen für "kältere" bzw. im Temperaturprofil optimierte Flammen und zum anderen für intensivierte Wärmeübertragung unter diesen Be¬ dingungen. Die genannten Erfindungen beinhaltet jedoch keine dazu und für Gas geeignete Brennervorrichtung.

Bekanntermaßen ist die Aushaltung von Falschluft, insbesondere in der Umgebung der Flammenwurzel, z.B.am Brennerdüsenstein eine effektive Stickoxid-Primärminderungsmaßnahme bei Hochtem¬ peraturindustrieöfen. Die diesbezüglich dem Ziel der Erfindung am nächsten stehende Lösung des Problems ist die Anordnung ei¬ ner Brennerdüsensteinvorsatzplatte. Die Ausrichtung der Flam- men in einer vorwiegend vom Ofenbau abhängigen, optimalen Win- kelung in der vertikalen Ebene ist inzwischen als effektive Maßnahme erkannt worden. Den Stand der Technik auf diesem Ge¬ biet bestimmen, wegen der widerspruchsfreien Erfüllung beider Gesichtspunkte, die genannten Vorsatzplatten speziell mit ei- ner sphärischen Kontaktfläche zur Brennerlanze hin. Diese hat die Gestalt eines konkaven Kugelabschnitts, der einen zylin¬ drischen Gasdurchtritt aufweist. Die verbleibenden Luftspalten zum anschließenden, stirnseits gleichmaßigen, aber kugelkon¬ vexen Kopf der Brennerlanze hin, können somit in einem weiten Auswinkelungsbereich der Lanzen klein gehalten werden. Ähnlich gestaltete Anordnungen an Rohrleitungen werden üblicherweise als Kugel-Pfanneverbindung bezeichnet. Die, von üblichen Vor¬ richtungen zur Brennerhalterung, bezweckte Auswinkelbarkeit der Brennerlanzen gegenüber dem Brennerdüsenstein bleibt somit erhalten und ist ausdrückliches Ziel der Vorrichtung. Nachtei¬ lig an dieser und ähnlichen bekannten Lösungen ist aber gerade diese durchweg beabsichtigte und mit der inneren Auswinkelbar¬ keit verbundene, wechselnde Gestalt der Gaseinbringung, die insbesonders verbunden ist mit Abrißkanten der Gasströmung an den Übergangsstellen zwischen den Vorrichtungsbauteilen. Da¬ durch werden, infolge erhöhter Quermischungsimpulse nun eben¬ falls nachteilige, frühe Lufteinmischungen in die Flammennwur¬ zel verursacht. Bei entsprechenden Auswinkelungen wird die¬ ser Nachteil in der Regel nicht separat erkannt, da er stets mit dem Winkeleinfluß gekoppelt in Erscheinung tritt. Entspre¬ chend dem bekannten Stand der Technik werden diese negativen Effekte ebenso von den ohnehin danach stets vorhandenen Dis¬ kontinuitäten im Strömungsweg zusätzlich überlagert. Diesbe-

züglich schließt sich an die zumeist unvorteilhaft zylindrisch 105 gestalteten Düsen von Brennerlanzenkopf und Düsensteinvorsatz- platte der Brennerdüsenstein an, der zumeist als Diffusor mit einem nachteiligen Öffnungswinkel deutlich größer als 20°, ausgeführt ist. Der Übergang, von der Zylinderform in die des überkritischen Diffusors am Düsenstein, überlagert ebenfalls, 110 die Strömungsturbulenz erhöhend und dadurch mit NO-steigerndem Ergebnis, die Effekte von Brennerlanzenauswinklungen, so daß dieser negative Aspekt bislang nicht explizit offenkundig war.

Das Problem wird durch eine dreiteilige erfinderische Vorrich¬ tung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß vom Brenner-

115 köpf an bis zum Gasaustritt am Brennerdüsenstein ein durchgän¬ giger Diffusor gebildet ist, der an der Brennermündung einen Öffnungswinkel von etwa 17 Grad aufweist und daß die Mantelli¬ nie des Diffusors, dabei die Brennerdüsenvorsatzplatte mit einschließend, einen geschlossenen Kurvenzug bildet, daß die

120 Austrittsöffnung des Diffusors am Brennerdüsenstein einen Öff¬ nungswinkel um 20 Grad aufweist und daß die äußeren form¬ schlüssigen Anschlüsse zwischen den drei Bauteilen zylindrisch ausgebildet sind, so daß eine Auswinkelung untereinander nicht zugelassen wird.

125 Der Vorteil der Erfindung besteht in einer drastischen Senkung sowohl der Quermischimpulse wie der Injektorwirkung zum einen gegenüber der Luft im Ofeninnenraum nahe der Flammenwurzel und zum andern gegenüber der Umgebungsluft. Hohe Flammentemperatu¬ ren an diesem Ort werden zugleich durch eine unterdrückte

130 Startreaktion der Verbrennung vermieden und so das fatale Zu¬ sammentreffen von hohem Sauerstoff/ Stickstoffkonzentrations¬ produkt mit hohen Temperaturen sicher vermieden. Zudem wird durch die unterdrückte Startreaktion in Flammenwur- zelnähe eine vorteilhaft verzögert einsetzende Kettenreaktion

135 erzielt, die auch im weiteren Verlauf der Flamme deutlich ab¬ geschwächte Temperaturmaxima zur Folge hat. Die Bildung des

thermischen- oder Zeldovich-NO wird stark unterdrückt.

Der Nachteil fixierter Flammenrichtung wird allein durch den

Effekt strenger Axialität der Bauteile bei weitem überwogen,

140 zumal dieser Vorteil der Vorrichtung nicht generell verschlos¬ sen ist, sondern vollständig, wenn auch mit zunächst erhöhtem manuellen Aufwand, durch gemeinsame Auswinkelung der Bauteil¬ gruppe eingestellt werden kann. Durch die klare Trennung von den überlagernden Einflüssen vereinfacht die Eindeutigkeit der

145 Ergebnisse jedoch das Ermitteln eines diesbezüglichen Optimum und verringert somit langfristig sogar den manuellen Aufwand beim Betreiber.

Das Ausführungsbeispiel der brennertechnischen Vorrichtung zur Gaseinbringung beinhaltet die Gestaltung einer Brenner-

150 düse (1) des sogenannten Gaszerstäubers in Form eines Diffu¬ sors mit einem Öffnungwinkel von 17°, an die sich unmittelbar, bei Vermeidung einer Abrißkante und mit kontinuierlich fort¬ geführter Mantellinie des Diffusors, eine Düsensteinvorsatz- platte (2) anschließt, die den gleichen Diffusoröffnungswin-

155 kel aufweist, wobei dieser Abschnitt ebenso in einen Diffu¬ sor einmündet, der nunmehr vom Düsenstein (3) gebildet wird. Dieser weist aber einen Öffnungswinkel auf, der sich von 17° ausgehend kontinuierlich erweitert und am Ende des Düsen- steins 21° erreicht. Zur Gewährleistung strenger Axialität

160 des dreiteiligen Diffusors ist die äußere Führung von Düsen- steinvorsatzplatte und Brennerdüsenstein als zylindrische Auf¬ nahmeführung (4) ausgeführt. Ebenso ist der Anschluß von Brennerdüse und Düsensteinvorsatzplatte gestaltet. Das Aus¬ führungsbeispiel an einer Floatglaswanne mit mehreren bereits

165 eingeführten anderweitigen und an sich bekannten Primärminde- rungsmaßnahmen, unter anderem mit der bisher niveaubestimmen¬ den Anordnung einer Vorsatzplatte, erbrachte eine Minderung des thermischen NO auf etwa die Hälfte des bislang realisier¬ baren Niveaus nach dem Stand der Technik primärer NOx- Minde¬ rung.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1. Brennerdüse

2. Düsensteinvorsatzplatte

3. Brennerdüsenstein

4. Zylindrische Aufnahmeführung