In der gesamten Verbrennungstechnik ist man bestrebt, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Schadstoffemissionen zu begrenzen. Hierin liegt auch die Aufgabe der Erfindung, und zwar insbesondere in Anwendung auf Hochtemperaturprozes- se.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Ver- fahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das pri- märe Sauerstoffträgergas drallfrei in die Primärzone einge- führt wird und daß die Verbrennungsprodukte der Primärzone auf ihrem Weg zur Sekundärzone einer sprunghaften Quer- schnittserweiterung unterworfen werden.

Bisher wurde es für unerläßlich gehalten, das primäre Sauerstoffträgergas mit Drall in die Primärzone einzuführen, da man der Auffassung war, daß nur der Drall-neben seiner Mischwirkung-ein Abreißen der Flamme verhindern konnte.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die sprung- hafte Querschnittserweiterung in der Lage ist, die Flamme ausreichend zu stabilisieren.

Eine drallbehaftete Verbrennung führt zu einer kurzen, harten Flamme mit intensiver Umsetzung und, abhängig von der Drallstärke, auch zu einer inneren Abgasrezirkulation in der Flamme. Erfindungsgemäß hingegen bildet sich in der Primär- zone eine lange, weiche Flamme mit langsamer Umsetzung.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine Leistungs- steigerung und eine Temperaturerhöhung zu erzielen und dabei

gleichzeitig die Schadstoffemission, insbesondere die Erzeu- gung von NOX zu minimieren.

Hochtemperaturprozesse mit Temperaturen oberhalb von 1000°C finden in der Technik vielfältige Anwendung, bei- spielsweise beim Schmelzen von Metallen, Glas oder Keramik sowie bei der Durchführung von Sinterprozessen. Dabei geht es darum, die zu erwärmenden Materialien möglichst schnell aufzuheizen, wozu entsprechend hohe Temperaturen und hohe Leistungen erforderlich sind. Diesen Anforderungen wird die Erfindung in hohem Maße gerecht.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das sekundäre Sauerstoffträgergas in ein bis drei Strahlen, vorzugsweise in einem einzigen Strahl in die Sekundärzone eingeblasen wird. Die Reaktion in der Sekundärzone wird also an wenigen Stellen, vorzugsweise an einer einzigen Stelle eingeleitet und verläuft entsprechend günstig, nämlich rela- tiv langsam.

Hierzu trägt auch bei, das sekundäre Sauerstoffträgergas in seitlichem Abstand von der Primärzone und im wesentlichen parallel zu deren Verbrennungsprodukten in die Sekundärzone einzublasen. Die Verbrennungsprodukte der Primärzone erfah- ren nach dem Austritt aus der Primärzone eine Querschnitts- erweiterung im wesentlichen in bauchiger Form. In diese Querschnittserweiterung wird das sekundäre Sauerstoffträger- gas eingeblasen, und zwar ebenfalls drallfrei.

Als sekundäres Sauerstoffträgergas kann ohne weiteres Luft verwendet werden. Vorteilhafter hingegen ist es, Sauer- stoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft zu verwenden.

Je höher der Sauerstoffanteil ist, desto geringer ist der Anteil an Stickstoff, der aufgeheizt werden muß, ohne den Verbrennungsprozeß zu fördern. Eine entsprechende Tempera- tur-und Leistungssteigerung ist die Folge.

Die Vermischung der Reaktionspartner und die Stabilie- rung der Flamme lassen sich bei dem drallfreien Verbren- nungsverfahren ferner dadurch verbessern, daß der Brennstoff im Querstrom zum primären Sauerstoffträgergas in die Primär-

zone eingeführt wird. Verglichen mit einer drallbehafteten Verbrennung, läßt sich somit in energetisch günstiger Weise eine ausreichende Durchmischung erzielen. Der Querstromwin- kel kann beliebig gewählt werden. Besonders gute Ergebnisse werden dadurch erzielt, daß man das primäre Sauerstoffträ- gergas axial in die Primärzone einführt und den Brennstoff im Winkel von 45° einbläst, und zwar zentral.

Als primäres Sauerstoffträgergas kann ebenfalls Sauer- stoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet wer- den. Vorteilhafterweise arbeitet man in der Primärzone jedoch mit normaler Umgebungsluft.

Die Luftzahl der Primärzone kann ohne weiteres auf 0,2 abgesenkt werden, wenn ausschließlich Sauerstoff in die Sekundärzone eingedüst wird. In der Regel wird man bei 0,5 bis 0,7 arbeiten. Die Gesamt-Luftzahl liegt vorzugsweise nah-stöchiometrisch bei 1,05 bis 1,2. Allerdings bietet die Erfindung die vorteilhafte Möglichkeit, eine Atmosphäre mit einstellbarem Sauerstoffgehalt zu erzeugen, und zwar durch entsprechende Wahl des Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnisses des sekundären Sauerstoffträgergases.

Der Brenner für fluidförmige oder fluidisierbare, insbe- sondere gasförmige Brennstoffe, auf den sich die Erfindung ferner richtet, ist mit einem Flammenhalter und einer sich an den Flammenhalter anschließenden Brennkammer versehen, wobei der Flammenhalter mindestens eine Durchtrittsöffnung für den Brennstoff sowie mindestens eine Durchtrittsöffnung für ein primäres Sauerstoffträgergas aufweist. Dieser Bren- ner ist zur Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß dadurch dadurch gekennzeichnet, daß die im Flammenhalter ausgebildete Durchtrittsöffnung für das primäre Sauerstoff- trägergas derart ausgerichtet ist, daß das primäre Sauer- stoffträgergas drallfrei in die Brennkammer eintritt, und daß die Brennkammer stromab des Flammenhalters eine sprung- hafte Querschnittserweiterung aufweist.

Dieser Brenner gestattet es, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diskutierten Vorteile zu erzie- len. Er läßt sich in jeder Lage betreiben.

Bei der Durchtrittsöffnung für das primäre Sauerstoff- trägergas kann es sich beispielsweise um einen durchgehenden oder unterbrochenen Ringspalt handeln. Auch kommen beliebige Muster von Durchtrittsöffnungen in Frage, beispielsweise von Bohrungen oder Radialspalten. Wesentlich ist, daß die Durch- trittsöffnungen keinen Drall erzeugen.

Vorzugsweise ist eine neben dem Brennkammerauslaß mün- dende Austrittsöffnung für ein im wesentlichen parallel zur Brennkammer ausretendes sekundäres Sauerstoffträgergas vor- gesehen. Das Sauerstoffträgergas wird also an einer einzigen Stelle in die Verbrennungsprodukte der Primärzone eingelei- tet, und zwar erst hinter der Brennkammer. Es kommt also zu einer starken Verlangsamung der Verbrennungsreaktion. Ggf. kann die Sekundärzone ohne sichtbare Verbrennungsreaktion, also flammenlos arbeiten.

Wie erwähnt, kann die im Flammenhalter ausgebildete Durchtrittsöffnung für das primäre Sauerstoffträgergas grundsätzlich beliebig geformt sein, beispielsweise als ringförmiger Schlitz oder Muster von Bohrungen und/oder Schlitzen. Auch kann sie zur Achse der Brennkammer geneigt sein. Vorteilhafterweise ist sie axial ausgerichtet, wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von zentral angeordneten, nach außen geneigten Duchtrittsöffnungen für den Brennstoff vor- gesehen ist. Auf diese Weise wird mit einem Minimum an Mischenergie eine ausreichende Durchmischung erzielt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die sprunghafte Querschnittserweiterung der Brennkammer als umlaufende radiale Stufe auszubilden. Diese Stufe, die vor- zugsweise scharfkantig ist, dient dazu, die Flamme ausrei- chend zu stabilisieren und am Flammenhalter zu fixieren. Die Stufe bewirkt eine Rezirkulation der Verbrennungsprodukte im Außenbereich der Brennkammer, wobei ggf. ein gewisser Anteil

der Ofenatmosphäre in die Brennkammer eingesaugt werden kann.

Vorteilhafterweise verjüngt sich der Querschnitt der Brennkammer, und zwar ausgehend vom Flammenhalter zur sprunghaften Querschnittserweiterung hin und vorzugsweise auch ausgehend von der sprunghaften Querschnittserweiterung zum Brennkammerauslaß hin. Die Arbeitsweise kann sich also der eines Impulsbrenners annähern. Die Verjüngungen können bogenförmig verlaufen. Voreilhafter hingegen ist eine kegel- stumpfförmige Ausbildung.

Vorteilhafterweise ist die Brennkammer in einem kerami- schen Brennerstein ansgebildet, wobei dieser vorzugsweise einen im wesentlichen parallel zur Brennkammer verlaufenden Kanal für das sekundäre Sauerstoffträgergas aufweist. Alter- nativ dazu besteht die Möglichkeit, den Brennerstein in ein Gehäuse einzusetzen, welches von einem Kanal oder einer Lanze für das sekundäre Sauerstoffträgergas durchsetzt ist.

Ferner kann der gesamte Brenner einteilig aus Keramik gefer- tigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in : Figur 1 einen Axialschnitt durch einen Brenner nach der Erfindung, der mit Erdgas betrieben wird.

Der Brenner weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem ein Brennerstein 2 angeordnet ist. Letzterer bildet eine Brenn- kammer 3, die sich an einen Flammenhalter 4 anschließt.

Das Gehäuse 1 weist eine Luftführung 5 auf, die über Durchtrittsöffnungen 6 mit der Brennkammer 3 verbunden ist.

Ferner enthält das Gehäuse 1 eine Gasführung 7, die über Durchtrittsöffnungen 8 mit der Brennkammer 3 verbunden ist.

Wie dargestellt, sind die Durchtrittsöffnungen 6 axial ausgerichtet. Sie lassen also die Primärluft drallfrei in die Brennkammer 3 eintreten. Die Öffnungen 8 sind zentral im Flammenhalter 4 angeordnet und unter einem Winkel von 45°

radial nach außen geneigt. Auch das Gas tritt also drallfrei in die Brennkammer 3 ein.

In der Brennkammer 3 kommt es folglich zu einer drall- freien Verbrennung, so daß sich eine lange, weiche Flamme mit langsamer Umsetzung ausbildet. Ein Abheben der Flamme wird durch eine umlaufende radiale Stufe 9 verhindert, die eine sprunghafte Querschnittserweiterung der Brennkammer 3 bildet. Da das Gas schräg in die Primärluft eintritt, kommt es bei geringer Mischenergie und dementsprechend geringem Druckverlust zu einer ausreichen intensiven Durchmischung.

Eine Lanze 10, die parallel zur Brennkammer 3 ausgerich- tet ist, sorgt für die Zuführung eines sekundären Sauer- stoffträgergases, bei dem es sich im vorliegenden Fall um Sauerstoff handelt. Die Austrittsöffnung 11 der Lanze 10 liegt auf der Höhe des Brennkammerauslasses. Die Einmischung des sekundären Sauerstoffträgergases in die Verbrennungpro- dukte der Primärzone erfolgt also an einer einzigen Stelle und im übrigen in seitlichem Abstand zum Brennkammerauslaß.

Die Verbrennungsreaktion in der Sekundärzone läuft daher sehr langsam ab, was zu niedrigen NOX-Emissionen führt.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, teilt die umlaufende radiale Stufe 9, die im übrigen eine gewisse Rezirkulation bewirkt, die Brennkammer 3 in zwei Abschnitte, nämlich in einen ersten Abschnitt 12, der zwischen dem Flammenhalter 4 und der Stufe 9 liegt, und in einen zweiten Abschnitt 13, der sich von der Stufe 9 bis zum Brennkammeraustritt erstreckt. Beide Abschnitte sind in Strömungsrichtung kegel- stumpfförmig verjüngt, so daß also die Strömungsgeschwindig- keit der Verbrennungsprodukte ein erstes Mal beim Passieren der Stufe 9 und ein zweites Mal am Brennkammeraustritt beschleunigt wird.

Die Brennkammer 3 wird, wie erwähnt von dem Brennerstein 2 gebildet, der auch, abweichend von der Darstellung nach Fig. 1, einen Kanal für das sekundäre Sauerstoffträgergas enthalten kann.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus weitere Abwand- lungsmöglichkeiten gegeben. So kann auf die konische Verjün- gung in einem oder in beiden der Brennkammerabschnitte ver- zichtet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, mit einer Mehrzahl von Lanzen für das sekundäre Sauerstoffträgergas zu arbeiten. Die Anzahl sollte allerdings begrenzt sein, um die Verbrennungsreaktion in der Sekundärzone nicht zu stark zu beschleunigen. Für den Flammenhalter kommen verschiedenste Varianten in Frage, was die Form der Durchtrittsöffnungen für die Primärluft und das Gas anbelangt. Wesentlich ist allerdings, daß die Primärzone drallfrei arbeitet. Anstelle einfacher Luft kann auch mit Sauerstoff angereicherte Luft in die Primärzone eingeblasen werden. Als sekundäres Sauer- stoffträgergas hat sich reiner Sauerstoff oder Luft mit einem hohen Sauerstoffgehalt bewährt. Einfache Luft ist gleichermaßen einsetzbar, sofern es nicht darum geht, eine heiße Ofenatmosphäre mit hohem Sauerstoffgehalt zu erzeugen.

Im übrigen stellt der Einsatz einer oder mehrerer Lanzen für das sekundäre Sauerstoffträgergas nur eine der konstruktiven Möglichkeiten zur Beschickung der Sekundärzone dar.

Wesentlich ist, daß das sekundäre Sauerstoffträgergas an einer Stelle oder höchstens an wenige Stellen in die Sekun- därzone gelangt, und zwar in seitlichem Abstand zum Brenn- kammerausla$. Insgesamt erlaubt die Erfindung eine Verbren- nung ohne Temperaturspitzen bei gleichmäßiger Verteilung der Flamme im Raum.