Die Erfindung betrifft einen Strahlungsbrenner gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , eine Strahlungsbrenneranordnung sowie einen von wenigstens einem Strahlungsbrenner beheizten Ofen, der beispielsweise in der Stahlindustrie als Wärmebehandlungsöfen oder als Schmelzofen für die Aluminiumindustrie ein- gesetzt werden kann.

Es ist bekannt, Strahlungsbrenner als Porenbrenner auszubilden. Porenbrenner weisen im Wesentlichen einen zweischichtig aufgebauten Porenkörper auf. Die eine Schicht dient dabei als Flammenhalter und die andere Schicht als Flammen- sperre. Die Anordnung des Porenkörpers erfolgt in einem Gehäuse, wobei oberhalb des Porenkörpers ein Mischraum vorgesehen ist, in welchem der Brennstoff - beispielsweise Erd- oder Prozessgas - und die Luft miteinander vermischt werden. Das Gehäuse bekannter Porenbrenner besteht aus einem hitzebeständigen metallischen Werkstoff. Die Verbrennung läuft überwiegend innerhalb der als Flammenhalter dienenden Porenschicht ab. Aufgrund dieses Umstandes sind die bekannten Porenbrenner als Strahlungsbrenner anzusehen. Nachteilig bei den bisher bekannten Porenbrennern ist, dass diese mit kalter Verbrennungsluft betrieben werden und die Abgaswärme entweder ungenutzt direkt in die Atmosphäre entweicht oder über spezielle Wärmetauschersysteme zurückgewonnen werden muss. Nachteilig ist weiterhin der Umstand, dass Porenbrenner bekannter Bauart in ein metallisches Gehäuse aus entsprechend hoch- wertigen Materialien eingebettet werden müssen. Weiterhin sind im Stand der Technik sog. Regenerativ-Brenner bekannt. Diese weisen grundsätzlich zwei oder mehr Einzelbrenner auf. Unter Einzelbrennern ist in diesem Fall eine Kombination aus räumlich voneinander getrennten Komponenten Brennerkopf und einem sog. Regenerator zu verstehen. Bei einem Regenera- tivbrenner befindet sich jeweils wenigstens ein Brenner bzw. bevorzugt eine Hälfte einer Brennergruppe im sog. Feuerungsmodus. Der jeweils andere Brenner bzw. die zweite Hälfte der Brennergruppe befindet bzw. befinden sich im sogenannten Regenerativ-Modus. Letzteres bedeutet, dass die sich im Verbrennungsraum befindlichen Abgase der sich im Feuerungsmodus befindlichen Brenner über die im Regenerativ-Modus befindlichen Brennerköpfe bzw. Regeneratoren abgesaugt werden und dort den überwiegenden Teil ihres Wärmeinhaltes an eine Wärmetauschermasse abgeben. Nach einer vorgegebenen Zeit - üblicherweise 60 Sekunden - erfolgt eine Umschaltung, und die bisher im Regenerativ-Modus betriebenen Brenner arbeiten im Feuerungsmodus, und die vorher im Feuerungsmodus betrie- benen Brenner werden dann im Regenerativ-Modus betrieben. Dabei nimmt die Verbrennungsluft die vorher in den Regeneratoren gespeicherte Abgaswärme auf.

Dies führt im Vergleich zu Kaltluftbrennern bzw. Warmluftbrennern mit Rekupera- tiv-Luftvorwärmung zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung bzw. einer erheb- liehen Brennstoffersparnis.

Regenerativbrenner werden u.a. in der Stahlindustrie an Wärmebehandlungsöfen sowie in der Aluminiumindustrie an Schmelzöfen eingesetzt. In beiden Fällen handelt es sich um Brenner mit hohem Vorwärtsimpuls und dementsprechend langen Brennflammen, wobei die Brenner in der Regel in die Seitenwände des jeweiligen Ofens integriert sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders energiesparenden und in eine Ofendecke integrierbaren Strahlungsbrenner mit entspre- chend flacher Flamme zu schaffen. Ferner soll der Brenner kostengünstig herstellbar sein und dessen ungeachtet sehr hohen Temperaturen standhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strahlungsbrenner mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 , mit einer Strahlungsbrenner-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 23 sowie mit einem Ofen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 27 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Im Rahmen der Erfindung werden die Vorteile eines Porenbrenners mit den Vor- teilen eines Regenerativ-Brenners verbunden.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann das Gehäuse zumindest bereichsweise aus Keramik oder einem feuerfestem Material, vorzugsweise aus Feuerfestbeton, bestehen. Durch diese Wahl des Gehäusematerials wird in vorteilhafter Weise eine lange Lebensdauer bei gleichzeitig kostengünstiger und einfacher Herstellung erzielt. Der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner kann damit problemlos für alle üblicherweise an Öfen in der Stahlindustrie gefahrenen Temperaturbereiche eingesetzt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehenen, dass bei dem Regenerativ- Porenbrenner zumindest der Teil des Gehäuses aus einem keramischen oder feuerfesten Material - insbesondere Feuerfestbeton - besteht, welcher in unmittelbarem Kontakt zu dem Innenraum des Ofens steht. Der Einsatz von Feuerfestbeton weist außerdem den Vorteil auf, dass die thermische Ausdehnung des Gehäuses derjenigen des Porenmaterials angeglichen ist. Deshalb muss keine aufwändige und teure Faserschicht zwischen dem Porenmaterial und der Innenwand des Gehäuses angeordnet werden. Bei Einsatz des erfindungsgemäß vorgesehenen Regenerativ-Porenbrenners wird die im Abgas gespeicherte Wärmemenge zum Aufheizen des jeweils im Regene- rativ-Modus betriebenen Regenerativ-Porenbrenners bzw. dessen Porenmaterials bzw. eines separaten Regenerators genutzt, welche dann im Feuerungsmodus zur Aufwärmung der kalten Verbrennungsluft zugeführt wird. Damit eine ausreichende Wärmemenge im Porenmaterial für das Intervall des Feuerungsmodus bereitsteht, ist das Volumen des Porenmaterials entsprechend groß zu wählen. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Regenerativ-Porenbrenners kann somit gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Energieeinsparung erzielt werden, ohne dass zusätzlicher apparativer Aufwand notwendig ist.

Alternativ wird als Wärmespeicher neben dem Flammenhalter und der Flammen- sperre eine dritte Komponente eingeführt, nämlich ein separater Wärmespeicher (Regenerator), der z.B. aus einem SiC-Material (Siliciumcarbid) hergestellt sein kann. Alle drei Komponenten befinden sich dabei bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen Brennergehäuses. Der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner kann vorteilhaft in bestehende Ofenanlagen eingesetzt werden. Er kann weiterhin mit handelsüblichen Zünd- und Überwachungseinrichtungen sowie handelsüblichen Komponenten für die Gas- und Luftversorgung ausgerüstet werden. In vorteilhafter weise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse aus Keramik oder feuerfestem Material, insbesondere Feuerfestbeton, von einem Mantel aus Stahlblech (Normalstahl) umgeben ist. Dieser Mantel kann bei der Herstellung des Feuerfestbetongehäuses gleichzeitig als Gießform dienen. An dem Blechmantel können zudem alle Anschlussflansche angebracht bzw. angeformt sein. Diese An- schlussflansche dienen beispielsweise zum Anschluss des erfindungsgemäß vorgesehenen Regenerativ-Porenbrenners an dem Ofen sowie zum Anschluss einer Zuführleitung für Verbrennungsluft, die gleichzeitig auch als Abgasleitung dienen kann. Ein weiterer Anschlussflansch kann für eine Gaszuführungsleitung vorgesehen sein.

Eine Zündeinrichtung kann sowohl in Verbindung mit einer Steuerungselektronik als auch als Überwachungseinrichtung für die Flamme eingesetzt werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Strahlungsbrenner-Anordnung sowie einen die erfindungsgemäßen Strahlungsbrenner aufweisenden Ofen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ofens mit zwei erfindungsgemäßen

Strahlungsbrennern (teilweise in Schnittdarstellung), bei denen das flammhaltende Porenmaterial gleichzeitig als Regenerator eingesetzt wird, und

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen

Strahlungsbrenners in einer alternativen Ausführungsform mit separatem Regenerator.

Figur 1 zeigt einen Ofen OF mit Seitenwänden OF _S und einer Ofendecke OF ₀ . In der Ofendecke OF ₀ sind zwei Aussparungen OF _DA angeordnet, in die Regenera- tiv-Porenbrenner 1 eingesetzt sind. Die Anordnung und Anzahl der Regenerativ-Porenbrenner in Figur 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und ist variabel. Zur besseren Übersichtlichkeit sind Befestigungsanordnungen zur Befestigung der Regenerativ-Porenbrenner 1 an dem Ofen OF nicht dargestellt. Entsprechend einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform kann bzw. können ein außen umlaufender Kragen oder Vorsprünge K vorzusehen sein, mittels dessen bzw. mittels derer die Regenerativ-Porenbrenner 1 auf der Oberseite des Ofendeckels OF ₀ aufliegen und optional mittels Befestigungselementen in dem Ofendeckel bzw. der Ofendecke OF ₀ befestigt werden.

Die Regenerativ-Porenbrenner 1 weisen jeweils ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 2 auf, welches an seiner unteren Stirnseite einen nach innen gerichteten Kragen 2a aufweist, der eine Porenbrenneröffnung 1 a bildet. Der Kragen 2a hält ein auch als "Flammhalter" bezeichnetes Porenmaterial 6, in dem die eigentliche Verbrennung stattfindet, in dem Gehäuse 2. Oberhalb des Porenmaterials 6 ist eine Flammsperrschicht 7 vorgesehen, die ebenfalls aus einem Porenmaterial besteht, welches im Vergleich zu dem flammhaltenden Porenmaterial 6 allerdings feinporiger ausgebildet ist. Insbesondere kann die Flammsperrschicht aus Spinell ausgebildet sein. Oberhalb der beiden Schichten 6 bzw. 7 ist ein Mischraum 3 vorgesehen, in dem eine möglichst homogene Mischung zwischen Luft und dem Brennstoff (z.B. Erd- oder Prozessgas) erzeugt wird. Jeder der Regenerativ-Porenbrenner 1 weist weiterhin eine (bezogen auf Figur 1 ) oben in den Mischraum 3 mündende Gaszufuhr 4 auf. Weiterhin ist an der Oberseite eine Frischluftzufuhröffnung 5 ausgebildet, welche gleichzeitig zur Absaugung von Abgasen A aus dem mit B bezeichneten Brennraum dient. Ein Frischluftgebläse 9 kann über eine Leitung L ₃ und Ventile V sowie Leitungen Li bzw. L ₂ Frischluft in die Frischluftzufuhröffnungen 5 des Regenerativ- Porenbrenners 1 pumpen. Der in der Zeichnung links dargestellte Regenerativ- Porenbrenner 1 befindet sich beispielsweise gerade im Feuerungsmodus, während sich der in der Zeichnung rechts dargestellte Regenerativ-Porenbrenner 1 im Regenerativ-Modus befindet. Im Regenerativ-Modus heizt sich das flammhaltende Porenmaterial durch die zwangsweise hindurch geführten Abgase aus dem Brennraum B auf.

Selbstverständlich gilt dies auch für das als Flammsperrschicht wirkende Poren- material 7, das ebenfalls eine gewisse Wärmemenge aus dem hindurchströmenden Gasstrom speichert; insofern bewirkt das flammhaltende Porenmaterial 6 die Regeneratorfunktion letztlich in diesem Fall nur teilweise.

Die jeweilige Betriebsart kann durch eine Steuerung der Ventile V sowie der Gas- zufuhr eingestellt werden, was durch eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung taktweise - z.B. im Minutentakt - bewirkt wird. Mittels einer Zündeinrichtung Z kann der Regenerativ-Porenbrenner 1 gezündet werden, derart, dass eine Flamme F bzw. hiervon ausgehende Strahlungswärme durch die Aussparung OF _DA in den Brennraum B eintritt. Über eine Leitung L ₄ wird das Abgas mittels eines Gebläses 10 in Richtung eines Kamins 11 befördert.

In einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlungsbrenners 1 ', der schematisch in Figur 2 dargestellt ist, kann der Regenerator auch als gegenüber dem Porenmaterial separates Bauteil ausgebildet sein. In Figur 2 sind gegenüber Figur 1 gleichwirkende Elemente mit gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Anordnung der Leitungen und Ventile außerhalb des Porenbrenners entspricht dabei der Darstellung in Figur 1 und ist daher nicht erneut dargestellt.

Das Gehäuse 2' ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 aus Keramik aus- gebildet und von einem Stahlblechmantel 8' umgeben, der mit einem metallischen Kragen K' an der Ofendecke OF befestigt ist.

Gemäß Figur 2 ist das Porenmaterial 6' als reiner Flammenhalter und damit mit einer vergleichsweise dünnen Schichtdicke konzipiert. Ein separater Regenera- tor 12 ist oberhalb der Flammsperrschicht T angeordnet. Der Regenerator ist im Beispiel aus einem Siliciumcarbid (SiC)-Matehal hergestellt, das von dem Luftbzw. Abgasstrom durchströmt wird. Selbstverständlich können für den Regenerator auch andere Materialien mit ausreichender Temperaturbeständigkeit und möglichst hoher Wärmekapazität verwendet werden, z.B. keramische Materialien. Die Flammsperrschicht kann aus Spinell hergestellt sein.

Abweichend von der anhand von Figur 1 beschriebenen Bauweise ist der Brenneraufbau gemäß Figur 2 derart ausgeführt, dass der Mischraum 3' zwischen dem Porenmaterial bzw. dem Flammhalter 6' und der Flammsperrschicht T angeordnet ist. Die Gaszufuhr erfolgt in diesem Falle über einen umlaufenden Gasverteilerring 13 direkt in den Mischraum 3'. Dadurch soll verhindert werden, dass bereits innerhalb des Regenerators 6' die Verbrennung vorzeitig und unkontrolliert einsetzt, was bei der in Figur 1 dargestellten Konfiguration bei Aufheizung des Po- renmaterials auf die Zündtemperatur des Brennstoffs nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.

Der Gasverteilerring 13 hat über den Umfang verteilt mehrere tangential und/oder axial angeordnete Gasdüsen 14, über die das Gas mit hoher Geschwindigkeit in den Mischraum 3' eintritt, damit in dem relativ kleinen Raum ein ausreichend homogenes Gemisch erzielt werden kann. Der eigentliche Flammhalter 6' ist in dieser Ausführungsform relativ dünn ausgebildet, da er bei dieser Variante nicht gleichzeitig als Wärmespeicher (Regenerator) fungiert.

Selbstverständlich ist es prinzipiell auch möglich, beide Ausführungsformen miteinander zu verbinden; d.h. der Regenerator kann durch die Wärmekapazität des Porenmaterials und ein separates Bauelement gemeinsam gebildet werden. Wenn der erfindungsgemäße Regenerativ-Porenbrenner 1 beispielsweise eine Brennleistung von 300 kW aufweisen soll, empfiehlt es sich, dass der Innendurchmesser an der Austrittsseite des Regenerativ-Porenbrenners in der Größenordnung von ca. 300 mm liegt. Die Stärke der zylindrischen Wandung 2 des vorzugsweise aus Feuerfestbeton ausgebildeten Gehäuses 2 beträgt dabei ca. 150 mm, so dass der Außendurchmesser des Gehäuses ca. 300 bis 500 mm beträgt. Um beispielsweise Taktzeiten in einem Bereich von 30 bis 90 s zu erzielen, wird ein Porenmaterial mit einem Volumen von ca. 35.000 bis 60.000 cm ³ , vorzugsweise etwa 60.000 cm ³ , eingesetzt. Es ist auch möglich, dass die jeweils zusammengehörenden Brenner einer Rege- nerativ-Porenbrenner-Einrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch kann eine weitere Reduzierung der Herstellungskosten sowie des erforderlichen Platzbedarfes erzielt werden.