DE2801367C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für flüssigen Brenn­ stoff, inbesondere zur Mehrfachanordnung in metallurgischen Öfen, mit einem zentralen Zerstäuber mit einer den Brennstoff fein zerstäubenden Zerstäuberdüse, mit einem stromab divergierenden Flammenkanal in einem Strahlerkörper und mit einer Zuführung für Verbrennungsluft mit über am Umfang des Flammenkanals an dessen Grund verteilten Durchlaßöffungen, über die die Verbrennungsluft unter Bildung eines Wirbels mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Flammenkanal einleitbar ist.

Bei einem bekannten Brenner dieser Art (US-PS 36 71 172) wird eine Luftströmung zum Verbrennen des zerstäubten Brenn­ stoffs durch mehrmaliges Umlenken um jeweils 90 Grad radial quer zu ihrer Strömungsrichtung in Turbulenzen versetzt. Die hierdurch entstehende Wirbelströmung, welche Geschwin­ digkeitskomponenten sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung aufweist, gleicht bis etwa zur mittleren Tiefe des Flammenkanals in ihrer äußeren geometrischen Form einem Zylinder. Hierbei erweist es sich als nachteilig, daß Teil­ mengen dieser Luft, bedingt durch die äußere Kontur des Flammenkanals, auf die am Ende des Flammenkanals beginnende Flamme zurückschlagen und hierdurch die gleichmäßige Aus­ dehnung der Flamme behindern. Auch werden die entstehenden Verbrennungsgase nicht ausreichend verwirbelt, so daß diese wiederum den Brennstoff vor der Verbrennung nicht ausreichend vergasen, wie dies für eine gute Abfolge des Verbren­ nungsvorgangs nötig ist.

Aus der AT-PS 1 12 385 ist es an einem Ölbrenner bekannt, ein Gemisch aus Luft und Ölnebel über einen Ringkanal mit sich stromab erweiternden, einen hyperboloidalen Austritts­ kanal begrenzenden Flächen austreten zu lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der gattungsgemäßen Art zu schaffen, dessen Heizleistung durch intensive Vermischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff unter dessen Vergasung verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der mit relativ geringer Geschwindigkeit durchströmten Öffnung der mit einem gasförmigen Zerstäubermedium betriebenen Zer­ stäuberdüse mit Zwischenabstand axial fluchtend ein schalen­ förmiger Umlenkkörper gegenüberliegt und daß die geometrischen Längsachsen der Durchlaßöffnungen auf Erzeugenden eines mit dem Flammenkanal fluchtenden Drehhyperboloides liegen.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die zugeführte Verbrennungsluft die Flamme in bestmöglicher Form umhüllt und nicht auf diese zurückschlägt. Darüber hinaus werden die entstehenden Verbrennungsgase bei Rezirkulation in den zentralen Bereich des Flammenkanals in solch starke Turbulenz versetzt, daß sie den Brennstoff kurz vor der Verbrennung im wesentlichen vollständig vergasen. Außerdem werden wegen der außerordentlich starken Wirbelbildung in dem di­ vergierenden Flammenkanal dessen innere Wände und die ge­ mauerten Ofenbereiche, die dem Flammenkanal benachbart sind, durch die heißen Verbrennungsgase auch im Wege der Konvektion erhitzt und heizen dann durch die Strahlung die Charge im Ofen auf.

Der Brenner ermöglicht deshalb einen besonders hohen Wärme­ austausch und führt demzufolge zu einem guten Gesamtwir­ kungsgrad der Anlage.

Es ist ein weiterer Vorteil des Brenners, daß er in größerer Anzahl und gleichmäßiger Verteilung, z. B. im Oberteil eines Ofens angeordnet werden kann, so daß die Charge gleichmäßig erhitzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brenner, insbesondere zur Verwendung bei einem metallurgischen Ofen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Zerstäuber­ kopf des Brenners nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach Schnittlinie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt nach Schnittlinie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brenners.

Es wird zunächst auf die Ausführung nach Fig. 1 bis 4 Bezug genommen. Der dort dargestellte Brenner ist zum Betrieb mit schwerem flüssigen Brennstoff (Brennöl) bestimmt, ins­ besondere zur Verwendung bei einem metallurgischen Ofen.

Der Brenner 1 besteht aus einem durch abgeschlossenen Ge­ häuse 2, welches aus Metall gegossen oder aus metallischen Einzelteilen zusammengesetzt ist. In das Gehäuse 2 wird Verbrennungsluft über einen Einlaß 3 eingeleitet. Die Ver­ brennungsluft kann entweder kalt oder auch vorgewärmt zuge­ führt werden. Das Gehäuse 2 ist mit einem Ringkörper 4 ver­ bunden, der entweder aus Metall oder aus einem keramischen Material bestehen kann und Durchlaßöffnungen 104 aufweist, über welche die Verbrennungsluft in einen Flammenkanal 5 geleitet wird. Die Durchlässe 104 sind so angeordnet, daß sie der hindurchströmenden Luft einen Drehimpuls vermitteln, so daß ein sehr schnell rotierender Wirbel entsteht.

Auf der Außenseite des mit F bezeichneten Ofens ist das Gehäuse 2 auf einen Block aus keramischem Material befestigt, der auf der Innenseite den sich zum Ofenraum hin erweiternden Flammenkanal 5 begrenzt, welcher den Brennraum für eine kurze Flamme bildet, die nicht weit über die Rand­ kante der Öffnung vorspringt und z. B. in der Projektion eine Erstreckung in der Größenordnung von 20 cm hat.

Durch das Gehäuse 2 erstreckt sich vertikal von oben her eine Brennstoffleitung 7, über die Brennöl einer Zerstäuber­ düse zugeführt wird. Die Brennstoffleitung 7 sitzt koaxial in einer Leitung 8 für die Zufuhr eines zerstäubenden Me­ diums, welche ebenfalls zu der Zerstäuberdüse führt. Das Zerstäuberfluid kann Druckluft, überhitzter Dampf oder ein anderes unter Druck stehendes Fluid sein, welches über einen Anschluß A in den Brenner eingeleitet wird. Koaxial zur Leitung 8 ist außerdem noch ein äußeres Rohr 108 mon­ tiert, welches zusammen mit der Leitung 8 einen Ringraum begrenzt, in dem Luft zirkuliert, welche den Kopf 10 des Zerstäubers schützt. Das Brennöl wird über einen Anschluß 9 dem Brenner zugeführt. Die schützende Luft gelangt über Bohrungen 180 in das Rohr 108.

Der Kopf 10 des Zerstäubers ist so ausgebildet, daß der flüssige Brennstoff genügend fein zerstäubt wird, um schnell zu verbrennen und um zu verhindern, daß sich Ruß auf dem keramischen Wandbereich 106 des Strahlerkörpers 6 absetzt. Eine Ummantelung aus hitzebeständigem Metall oder einem keramischen Material umgibt die Brennstoffleitung 7 über die ganze Länge, mit welcher sie in den Brennraum vorragt.

Durch den Zwischenraum 17 zwischen dem Schild 11 und der Leitung 8 wird eine Strömung aufrecht erhalten, um einen Teil der Brennstoffleitung 7 und den Kopf 10 des Zer­ stäubers vor der Ofenstrahlung und der Strahlung der Flamme selbst zu schützen. Funktionell betrachtet, ist der Schild 11 nicht unbedingt notwendig und könnte auch durch eine rundum auf die Brennstoffleitung 7, soweit sie in den strahlenden Wandbereich 106 vorragt, aufgetragene Isolierung ersetzt werden.

Der Kopf 10 des Zerstäubers ist auf das Ende der Brennstoff­ leitung 7 und der Leitung 8 für das Zerstäuberfluid aufge­ schraubt, wie in Fig. 2 gezeigt. Das äußere 108 er­ streckt sich dagegen frei nach unten und überdeckt seitlich den größten Teil des Zerstäubers. Diese Anordnung dient dem Schutz des Brennöls vor der hohen Temperatur sowohl der Verbrennungsluft (wenn diese vorgeheizt ist) als auch der Flamme.

Im obersten mittleren Bereich des Zerstäuberkopfes 10 sitzt ein Brennölverteiler 12 mit genau bemessenen Bohrungen 112 für die Zufuhr von Brennöl in eine Mischkammer 13. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Zerstäuberkopf 10 aus zwei fest miteinander verschraubten Teilen 110 und 210 zusammenge­ setzt. Am unteren Ende des inneren Teils 210 befindet sich die Mischkammer 13, welche mit der Auslaßseite des Verteilers 12 über eine axiale Öffnung 14 in Verbindung steht.

Gemäß Fig. 3 strahlenförmig angeordnete radiale Bohrungen 15 im Teil 210 des Zerstäuberkopfes 10 münden in die Misch­ kammer 13 und stehen auf der radial äußeren Seite mit einem Zwischenraum 115 zwischen den beiden Teilen 110 und 210 in Verbindung, welcher wiederum mit dem Zwischenraum zwischen den koaxialen Leitungen 7 und 8 verbunden ist.

Der Teil 210 ist noch mit einer Anzahl weiterer Bohrungen 16 versehen, welche eine Verbindung zwischen dem Zwischen­ raum 115 und einer zentralen Kammer 113 herstellen, in welcher die Bohrungen 112 des Verteilers 12 münden. Die Bohrungen 16 sind gemäß Fig. 4 tangential ausgerichtet, so daß das hindurchströmende Zerstäubermedium in einen Umlauf mit einer sehr hohen Wirbelkomponente gebracht wird. Der genannte Zwischenraum 115 steht schließlich auch noch über radiale Bohrungen 19 mit einem Zwischenraum zwischen dem Teil 110 und einer darübergesetzten Büchse 18 in Verbindung.

Die Mischung aus Luft und Brennstoff, welche in der Misch­ kammer 13 durch die Zerstäubung des Brennstoffs mittels Druckluft gebildet worden ist, die durch die Bohrungen 15 eingeleitet wird, strömt dann aus einer vorderen Öffnung 20 im Teil 110 heraus, welche in Längsrichtung unterschiedlich geformt sein kann. In Frage kommt z. B. eine konvergierend- zylindrische oder eine konvergierend-divergierende Form.

Gegenüber der Mündung der Öffnung 20 befindet sich in axialer Ausrichtung und in geeignetem Abstand ein schalenförmiger Umlenkkörper 21, der durch einen Käfig 22 gehalten wird, dessen dünne Stangen im Teil 110 verankert sind, indem sie z. B. darin eingelassen oder damit verschweißt sind.

Ein Brenner 1, der einzeln oder gleichzeitig mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff betrieben werden kann, ist in Fig. 5 gezeigt, welcher hinsichtlich der in Fig. 1 und 5 mit gleichen Bezugszeichen versehenen Teile dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, sich von diesem jedoch dadurch unterscheidet, daß das schützende Rohr 108 nunmehr ersetzt ist durch ein Rohr 208 für die Zuleitung von gasförmigem Brennstoff, der über einen Einlaß 308 zuge­ führt wird.

Im Falle des Betriebs nur mit Gas wird die Brennstoffleitung 7 im Vergleich zur Stellung nach Fig. 5 in eine Stel­ lung zurückgezogen, in welcher sich der Zerstäuberkopf 10 innerhalb der Auslaßöffnung des Rohrs 208 befindet. Die mögliche Stellung des Zerstäuberkopfs 10 in seiner vor­ stehenden Arbeitspostition gemäß Fig. 5 ist jedoch hinsichtlich der Funktion des Brenners kein Nachteil. Wenn der Brenner gleichzeitig mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff betrieben wird, strömt das Zerstäuberfluid durch den Zwi­ schenraum zwischen den koaxialen Leitungen 7 und 8. Ein kleiner Teil dieses Fluids kann durch kleine Löcher 111 im unteren Ende der Leitung 8 nach außen abgeleitet werden, um auf diese Weise einen den vorderen Teil der Brennstoff­ leitung, soweit diese in den Brennraum des Brenners vorsteht, umhüllenden und schützenden Mantelstrom zu bilden. Alternativ zu dieser Lösung mittels einer schützenden Strömung in dem den Schild 11 bildenden Rohr könnte der vordere Teil der Brennstoffleitung auch mit einem hitzebeständigen Material isoliert sein.

Unabhängig von je nach dem Anwendungsfall gegenüber der vorstehenden Beschreibung unterschiedlich gestalteten oder ausgelegten Details sollte bei dem Brenner die Form und Lage der Durchlässe 104 im Ringkörper 4 so gewählt werden, daß die hindurchströmende Verbrennungsluft die gewünschte große Strömungsgeschwindigkeit in Drehrichtung erhält, so daß im divergierenden Flammenkanal 5 ein schneller Wirbel entsteht. Zu dem genannten Zweck werden die Durchlässe 104 mit Bezug auf die Mittellängsachse der Brennstoffleitung 7 und des Flammenkanals 5 so angeordnet, daß ihre geometrischen Längsachsen auf der Erzeugenden eines Drehhyperboloids liegen, welches koaxial zu dem Flammenkanal 5 angeordnet ist, der ähnlich gestaltet sein kann. Die geometrischen Längsachsen der Durchlässe 104 sind bei dieser Ausführung in zwei Ebenen zur Achse der Brennstoffleitung 7 geneigt und zusätzlich versetzt angeordnet, so daß sie diese nicht schneiden.

Die Verbrennung beginnt innerhalb des Flammenkanals 5 und wird in kurzem Abstand von dessen Öffnungskante außerhalb desselben beendet. Wie weit die Flamme über die Öffnungs­ kante vorsteht, hängt von dem Luftüberschuß bei der Ver­ brennung ab. Grundsätzlich ist die Flamme um so kürzer, je größer der Luftüberschuß ist, und kann sogar auf 20 bis 30 cm reduziert werden, wenn der Luftüberschuß 10% über dem stöchiometrischen Verhältnis liegt.

Claims (6)

1. Brenner für flüssigen Brennstoff, insbesondere zur Mehr­ fachanordnung in metallurgischen Öfen, mit einem zentralen Zerstäuber mit einer den Brennstoff fein zerstäubenden Zerstäuberdüse, mit einem stromab divergierenden Flammenkanal in einem Strahlerkörper und mit einer Zu­ führung für Verbrennungsluft mit über am Umfang des Flammenkanals an dessen Grund verteilten Durchlaßöff­ nungen, über die die Verbrennungsluft unter Bildung eines Wirbels mit hoher Umfangsgeschwindigkeit in den Flammenkanal einleitbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mit relativ geringer Geschwindigkeit durchströmten Öffnung (20) der mit einem gasförmigen Zerstäubermedium betriebenen Zerstäu­ berdüse mit Zwischenabstand axial fluchtend ein schalen­ förmiger Umlenkkörper (21) gegenüberliegt und daß die geometrischen Längsachsen der Durchlaßöffnungen (104) auf Erzeugenden eines mit dem Flammenkanal (5) fluchten­ den Drehhyperboloides liegen.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkkörper (21) durch einen mit der Zerstäuberdüse verbundenen Käfig (22) gehalten ist.

3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wandbereich (106) des Flammenkanals (5), welcher den Umlenkkörper (21) umgibt und der Zerstäuberdüse zuge­ wandt ist, stufenförmig ausgebildet ist.

4. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die die Zerstäuberdüse speisende Brennstoffleitung (7) in den Flammenkanal (5) vorsteht und durch eine ringförmige Ummantelung (11), durch welche abgezweigtes Zerstäuber­ medium und/oder Verbrennungsluft als Kühlmedium hin­ durchleitbar ist, geschützt ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennstoffleitung (7) für flüssigen Brennstoff koaxial in einer Brennstoffleitung (208) für gasförmigen Brennstoff als Kühlmedium ange­ ordnet ist, deren ringförmige Mündungsöffnung den Zer­ stäuberkopf (10) umgibt.

6. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (20) der Zerstäuberdüse als konvergierender, konvergierend- zylindrischer oder konvergierend-divergierender Kanal ausgebildet ist.