Diese Erfindung betrifft Verbrennung im allgemeinen und insbesondere Brenner und Verfahren zur Verwendung derselben, um einen Brennstoff mit einem Sauerstoffträger zu verbrennen, der eine Sauerstoffkonzentration hat, die höher als diejenige von Luft ist.

In der Brennertechnik, in der Sauerstoffträger mit einer Sauerstoffkonzentration verwendet werden, die höher als die Sauerstoffkonzentration von Luft ist, besteht, wenn solche Brenner für die Glasherstellung eingesetzt werden, eine Aufgabe darin, eine leuchtende Flamme mit niedriger Temperatur zu erzeugen. Diese Flammen haben oft niedrige Gasgeschwindigkeiten und eine sehr einfache Mischstrategie (beispielsweise eine Rohr-in-Rohr-Konfiguration). Die Verwendung von Brennerblöcken mit zylindrischen Brennkammern ist bekannt, wobei der Hauptprozeß aus einem von einem sauerstoffreichen Mantel im Inneren des zylindrischen Hohlraums umgebenen brennstoffreichen Kern besteht. Ein Brennerblock in zylindrischer Form (gelegentlich als ein Vorbrenner bezeichnet) hat ein L/D-Verhältnis (Länge/Durchmesser) des zylindrischen Hohlraums, das zwischen 2 und 6 liegt. Im Bereich dieses L/D-Verhältnisses werden die Brennstoff- und Sauerstoffgeschwindigkeiten (weniger als 208,8 m/Sek. (600 Fuß/Sek.)) für Brenntemperaturbereiche von bis zu 5,858 MM W (20 MM Btu/h) gewählt. Hier besteht die Aufgabe darin, eine lange, träge und helleuchtende Sauerstoff-/Brennstoffflamme durch verzögertes Mischen zu erzeugen. Die Erzeugung von Rußteilchen aufgrund thermischen Krackens (im brennstoffreichen Kern) und die nachfolgende Verbrennung sorgen für das Leuchten der Flamme. Außerhalb des obigen Bereichs des L/D-Verhältnisses nimmt die Flamme ein sehr hohes "axiales" Momentum an und wird sehr nichtleuchtend.

Obwohl solche Brenner für zahlreiche Zwecke geeignet sind, weisen derartige Brenner Nachteile auf. Der Hauptnachteil solcher Brennerblöcke besteht darin, daß die Flammenform, insbesondere der maximale Flammendurchmesser und/oder die maximale Flammenlänge, immer vom Brennerblock-L/D-Verhältnis und von den Brennstoff- und Sauerstoffträgergeschwindigkeiten bestimmt werden. Die allgemeinen Flammenmerkmale sind eine lange, träge und helleuchtende Flamme ohne irgendeine wesentliche Komponente für eine Konvektionserwärmung, eine größere Flammenoberfläche für die erhöhte Chargenabdeckung oder Berücksichtigungen zur Reduzierung der Wirkung des Teilchen-"Einsaugungseffekts" in der Nähe der heißen Oberfläche des Brennerblocks (Rezirkulationszone). Die Axialmomentumflamme solcher Brenner erzeugt aufgrund der Verbrennung einen Niedrigdruckbereich.

Die Größe und Festigkeit der obigen dreidimensionalen Rezirkulationszone hängen vom Momentum der Axialflammenverbrennungsprodukte ab. Je höher das Flammenmomentum ist, um so höher sind der Einsaugungseffekt der Rezirkulationszone und die Größenordnung des Niedrigdruckbereichs um die heiße Fläche des Brennerblocks.

Der Niedrigdruckbereich in der Nähe der heißen Brennerblockfläche läßt es zu, daß sich verschiedene Prozeßteilchen (beispielsweise Glasgemenge, flüchtige Bestandteile, Kondensate und dergleichen) an der heißen Brennerblockfläche ablagern oder manchmal sogar in den Brennerblockhohlraum hineingezogen werden (wenn zwischen der Sauerstoffträgerströmung und der Brennerblockinnenfläche ein Leerraum vorhanden ist). Dies ist sehr üblich, wenn der Brennerblockhohlraum nicht dafür konstruiert ist, sich vollständig mit Flammengasen zu füllen. Die Aufgabe, einen dichten Brennerblock ohne irgendeinen Leerraum zu konstruieren, wird sehr schwierig, wenn die Brenntemperatur des Brenners (Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen) über einen weiten Bereich variiert wird. Ein geringfügiger Spalt im Brennerblock um die Flammenhülle herum kann aufgrund des Vorhandenseins des Niedrigdruckbereichs und der anschließenden Pumpwirkung der Rezirkulationszone Verbrennungsprodukte in den Brennerblockhohlraum einsaugen. Als Folge eines verstopften Brennerblocks kann sich eine erhöhte Wartungshäufigkeit (in Form einer Brenner- und/oder Blockreinigung und/oder einer kürzeren Brenner-/Block-Lebensdauer) oder ein katastrophaler Ausfall (Abschmelzen des Blocks/Brenners) aufgrund eines direkten oder indirekten Aufprallens/Ablenkens der Hochtemperaturflamme ergeben.

Ein anderer Nachteil einer Brennerblockkonstruktion in einer Rohr-in-Rohr-Konfiguration ist die Schwierigkeit, eine Flamme zu erzeugen, die sich in einer radialen Richtung allgemein senkrecht zur Richtung der Brennstoff- und Sauerstoffträgergasströmungen ausdehnt; hierin als eine "flache" Flamme bezeichnet. Die Rohr-in-Rohr-Brenner mit zylindrischer Geometrie haben keinerlei Vorkehrung, um zu bewirken, daß sich das Ausdehnen der Flamme in der radialen Richtung entwickelt. Die radiale, flache Flammenform ist in Luft-/Brennstoff-Brennern zur Erwärmung eines Ofeninneren mit konstantem Wärmefluß sehr üblich. Ein sehr einfaches Beispiel ist ein Stahlnachwärmofen, in dem Luft-/Brennstoff-Brenner am Ofendach (Krone) montiert sind, die Wärme an die darunter befindliche Stahlcharge (Blöcke, Platten) abstrahlen. Der Vorteil einer sich radial ausdehnenden flachen Flamme (üblicherweise Verwirbeln) besteht darin, daß nur eine sehr geringe axiale Erwärmungskomponente bereitgestellt wird und die meiste Wärme auf einer Abstrahlung von der erwärmten Wand beruht. Es hat sich gezeigt, daß sich die flache Flamme durch einen Coanda-Effekt an die Wandoberfläche andrückt und eine Wärmequelle erzeugt, um eine gleichmäßige Strahlung zu bewirken. Luft-/Brennstoff-Brenner in dieser Ausführung sind in der Industrie unter dem Handelsnamen "Wall Hugger" bekannt. Die sich an die Wand andrückende Flamme wird durch das Verwirbeln von Luft mit hoher Geschwindigkeit erzeugt. Der gleiche Prozeß hat sich jedoch noch nicht als für Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner geeignet erwiesen.

In der US 4,125,359 ist eine Brennereinheit beschrieben, die einen feuerfesten Block mit einer Bohrung umfaßt, in der die Düse des Brenners koaxial montiert ist. Das Erdgas entströmt der Düse durch eine radial vorgesehene Öffnung, die im Düsenkopf ausgebildet ist.

Es sind verwirbelnde Sauerstoffträger-/Brennstoff-Brenner bekannt, in denen der Sauerstoffträger eine Sauerstoffkonzentration hat, die höher als die Konzentration in der Luft ist. Der Brennerblock hat typischerweise einen zylindrischen Hohlraum, wobei der Brenner innerhalb eines zylindrischen Hohlraums mit einem Rücksprung ausgebildet ist. Eine Brennstoffeinspritzung und -verwirbelung mit hoher Geschwindigkeit und eine Sauerstoffeinspritzung mit geringer Geschwindigkeit im ringförmigen Raum sind vorgesehen. Eine wirbelstabilisierte Flamme wird innerhalb eines zylindrischen Blockhohlraums mit einem konstanten Durchmesser gebildet. Diese Konstruktion sieht keine Ausdehnung einer abgelenkten Sauerstoffströmung aufgrund der Bewegung des wirbelnden Sauerstoffs vor. Die sich ergebende Flamme ist eine "enge" zylindrische Flamme auf der Basis eines Ausgangsdurchmessers D. Die Rohrformbrennkammer, gekoppelt mit einer engen Ausgangsgeometrie, sieht keinen ausreichenden Raum vor, damit sich die Flamme in der radialen Richtung ausdehnen oder sich in einer extremen Situation eine flache Flamme ausbilden kann. Die Geometrie mit konstantem Durchmesser (Rohrform) beeinträchtigt die Aufrechterhaltung einer Sauerstoffträgerverwirbelung aufgrund der Wandreibung. Wenn sich eine wirbelnde Fluidströmung nicht in der radialen Richtung ausdehnen kann, stirbt die Verwirbelungsintensität aufgrund von Wandreibungseffekten rasch ab. Andererseits reagiert der wirbelnde Sauerstoffträger aufgrund der engen Nähe in der Brennkammer auch schnell mit dem Brennstoff. Dieser Vorgang erzeugt eine kurze intensive Flamme. Die Kühlung des Brennerblocks wird aufgrund des schnellen Ausbrennens des wirbelnden Sauerstoffträgers in einem Brennerblock mit relativ engem Durchmesser auch negativ beeinflußt.

Des weiteren wird der gesamte Brennerkörper (üblicherweise ein metallisches Rohr) in den Brennerblock eingeführt, bis die Brennerspitze (Brennstoffdüsenspitze) eine Distanz "L" von der heißen Fläche des Brennerblocks aufweist. Der wirbelnde Sauerstoffträger wird unmittelbar stromaufwärts vor dem Düsenausgang eingeleitet und der Sauerstoffträger überwiegend durch einen metallischen Brennerkörper, ohne eine wesentliche Brennerblocklänge zu kühlen, geleitet. Es hat den Anschein, daß mit der Verwendung eines wirbelnden Sauerstoffträgers bessere Mischbedingungen für den Brennstoff als mit veränderten Flammenmerkmalen in der radialen Richtung herbeigeführt werden können. Aufgrund der feststehenden Brennerblockgeometrie (zylindrische Form) werden Flammenmerkmale, wie beispielsweise die Flammenformveränderung in radialer Richtung, das Kühlen der Brennerspitzen und des Blockinneren durch die Sauerstoffträgerströmung sowie das Reinigen des Brennerblockinneren mit einer durchströmenden Sauerstoffträgerströmung, stark eingeschränkt.

In den US-Patenten 4,313,789, 3,905,751 und 5,620,316 sind Brenner beschrieben, deren Ausgänge mit einer konischen Ausdehnungskammer in Verbindung stehen, die mit einer zylindrischen oder torischen Brennkammer verbunden ist.

Es besteht somit in der Verbrennungstechnik ein Bedarf an einem Brenner, der einige oder alle obigen Probleme, die im Zusammenhang mit bekannten Brennern bestehen, löst.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden Brennervorrichtungen und Verfahren zur Verwendung derselben bereitgestellt, mit denen viele der im Zusammenhang mit bisherigen Konstruktionen auftretenden Probleme überwunden werden können.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Brennervorrichtung, die folgendes umfaßt:

• a) einen Brennerblock mit einer Brennstoffleitung, wobei die Brennstoffleitung einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei sich der Auslaß der Brennstoffleitung in eine im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer öffnet;
• b) den Brennerblock, der weiterhin einen im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang hat, wobei die Brennstoffleitung innerhalb des im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgangs positioniert ist;
• c) den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang, der ein Einlaßende in der Nähe des Brennstoffeinlasses und einen Auslaß in der Nähe des Brennstoffleitungsauslasses hat, und in dem mindestens ein Verwirbeler positioniert ist, um eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung zu erzeugen;
• d) den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang, der an seinem Auslaßende in Fluidverbindung mit der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer im Brennerblock steht, wobei die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer einen Einlaßdurchmesser Ds und einen solchen Auslaßdurchmesser Dc hat, daß Dc mindestens 110% von Ds entspricht;
• e) eine im wesentlichen zylindrische Brennkammer mit einem Durchmesser Dc sowie mit einem Einlaß und einem Auslaß, wobei der Auslaß der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer in Fluidverbindung mit dem Einlaß der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer positioniert ist und sich der Auslaß der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer zu einer Ofenkammer hin öffnet; und
• f) den Auslaß der Brennstoffleitung, der mit einem Rücksprung über eine Distanz Lr vom im wesentlichen zylindrischen Brennkammerauslaß ausgebildet ist, wobei Lr = Lc + Le, wobei Lc = Länge in axialer Richtung der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer und Le = Länge in axialer Richtung der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer.

Bevorzugte Brennervorrichtungen gemäß diesem Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer einen von etwa 5° bis etwa 60° reichenden Ausdehnungswinkel, bevorzugter einen von etwa 10° bis etwa 30° reichenden Ausdehnungswinkel sowie besonders bevorzugt einen von etwa 15° bis etwa 25° reichenden Ausdehnungswinkel aufweist. Weitere bevorzugte Brennervorrichtungen in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung sind diejenigen Brennervorrichtungen, bei denen es sich bei dem mindestens einen Verwirbeler um mehrere Schaufeln handelt, die jeweils einen von etwa 5° bis etwa 30° reichenden Schaufelwinkel und bevorzugter einen von etwa 30° bis etwa 60° reichenden Schaufelwinkel aufweisen. Ebenfalls bevorzugt sind diejenigen Brennervorrichtungen in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung, bei denen Le etwa 10% bis etwa 50% von Lr beträgt.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Brennervorrichtung, die folgendes umfaßt:

• a) einen Brennerblock mit einer Brennstoffleitung, wobei die Brennstoffleitung einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei sich der Auslaß der Brennstoffleitung in eine im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer hinein öffnet;
• b) den Brennerblock, der weiterhin einen im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang hat, wobei die Brennstoffleitung innerhalb des im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgangs positioniert ist;
• c) den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang, der ein Einlaßende in der Nähe des Brennstoffleitungseinlasses und einen Auslaß in der Nähe des Brennstoffleitungsauslasses hat, und in dem mindestens ein Verwirbeler positioniert ist, um eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung zu erzeugen;
• d) den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang, der an seinem Auslaßende in Fluidverbindung mit der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer im Brennerblock steht, wobei die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer einen Einlaßdurchmesser Ds und einen solchen Auslaßdurchmesser Dc hat, daß Dc mindestens 110 von Ds entspricht;
• e) den Auslaß der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer, der in Fluidverbindung mit einer torischen Brennkammer positioniert ist, die einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei sich der Auslaß der torischen Brennkammer zu einer Ofenkammer hin öffnet, wobei die torische Brennkammer einen Krümmungsradius R hat;
• f) den Auslaß der Brennstoffleitung, der mit einem Rücksprung über eine Distanz Lr vom Auslaß der torischen Brennkammer ausgebildet ist, wobei Lr = Lt + Le, wobei Lt = Länge in axialer Richtung der torischen Brennkammer und Le = Länge in axialer Richtung der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer.

Bevorzugte Brennervorrichtungen in Übereinstimmung mit dem zweiten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen Le etwa 10% bis etwa 50% von Lr beträgt.

Brennervorrichtungen in Übereinstimmung mit beiden Brennervorrichtungsaspekten sind diejenigen, bei denen die Brennstoffleitung eine Brennstoffdüse mit einem Einlaßende und einem Auslaßende umfaßt, wobei die Düse in der Brennstoffleitung zwischen dem Verwirbeler und dem Auslaß der Brennstoffleitung positioniert ist, wobei die Düse einen größeren Außendurchmesser an ihrem Einlaßende als an ihrem Auslaßende hat.

Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

• a) Einleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in einen Brennerblock, wobei der Brennerblock in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung ist;
• b) Bilden eines wirbelnden Sauerstoffträgers bei seinem Durchgang durch den Verwirbeler;
• c) Einströmen des wirbelnden Sauerstoffträgers und des Brennstoffs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer, wobei der Brennstoff im wesentlichen in der Nähe des axialen Zentrums der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer strömt, wobei der wirbelnde Sauerstoffträger an einer Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer vorbeiströmt;
• d) Einströmen des wirbelnden Sauerstoffträgers und des Brennstoffs in die im wesentlichen zylindrische Brennkammer;
• e) Verbrennen des Brennstoffs und Sauerstoffträgers in der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer, während der Sauerstoffträger an einer Wand der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer vorbeiströmt; und
• f) Einströmen der Verbrennungsprodukte aus der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer in einen Ofen.

Bevorzugte Verfahren in Übereinstimmung mit dem dritten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen sich der wirbelnde Sauerstoffträger bei seinem Durchgang durch die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer mit einer von einem Ausdehnungswinkel abhängigen Ausdehnungsrate ausdehnt, wobei der Ausdehnungswinkel von etwa 5° bis etwa 60° reicht, der Ausdehnungswinkel bevorzugter von etwa 10° bis etwa 30° reicht und der Ausdehnungswinkel besonders bevorzugt von etwa 15° bis etwa 25° reicht. Bevorzugte Verfahren in Übereinstimmung mit dem dritten Aspekt der Erfindung sind auch diejenigen, bei denen der Brennstoff eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 45,72 m/Sek. (150 Fuß/Sek.) ist oder diesem Wert entspricht, und bei denen der Sauerstoffträger eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.) ist oder diesem Wert entspricht.

Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennung eines Brennstoffs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

• a) Einleiten eines Brennstoffs und eines Sauerstoffträgers in einen Brennerblock, wobei der Brennerblock in Übereinstimmung mit dem zweiten Aspekt der Erfindung konstruiert ist;
• b) Bilden eines wirbelnden Sauerstoffträgers bei seinem Durchgang durch den Verwirbeler;
• c) Einströmen des wirbelnden Sauerstoffträgers und des Brennstoffs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer, wobei der Brennstoff im wesentlichen in der Nähe des axialen Zentrums der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer strömt, wobei der wirbelnde Sauerstoffträger an einer Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer vorbeiströmt;
• d) Einströmen des wirbelnden Sauerstoffträgers und des Brennstoffs in die im wesentlichen torische Brennkammer;
• e) Verbrennen des Brennstoffs und Sauerstoffträgers in der im wesentlichen torischen Brennkammer, während der Sauerstoffträger an einer Wand der im wesentlichen torischen Brennkammer vorbeiströmt; und
• f) Einströmen der Verbrennungsprodukte aus der im wesentlichen torischen Brennkammer in einen Ofen.

Bevorzugte Verfahren in Übereinstimmung mit dem vierten Aspekt der Erfindung sind diejenigen, bei denen sich der wirbelnde Sauerstoffträger bei seinem Durchgang durch die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer mit einer von einem Ausdehnungswinkel abhängigen Ausdehnungsrate ausdehnt, wobei der Ausdehnungswinkel von etwa 5° bis etwa 60° reicht, diejenigen Verfahren, bei denen der Brennstoff eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 30,48 m/Sek. (50 Fuß/Sek.) ist oder diesem Wert entspricht, sowie diejenigen Verfahren, bei denen der Sauerstoffträger eine Geschwindigkeit hat, die geringer als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.) ist oder diesem Wert entspricht.

Mit dem hierin verwendeten Begriff "im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer" ist eine Kammer mit einem Einlaß und einem Auslaß gemeint, wobei der Auslaß einen größeren Durchmesser als der Einlaß hat, und wobei der Querschnitt der Kammer allgemein kreisförmig ist, obwohl auch einige ovale und schlitzförmige Konfigurationen unter diese Erfindung fallen.

Mit dem hierin verwendeten Begriff "im wesentlichen ringförmiger Sauerstoffträgerdurchgang" ist ein Bereich mit einem Einlaß und einem Auslaß gemeint, wobei ein Längenmaß in der axialen Richtung größer als der durch einen Hohlraum im Brennerblock definierte Außendurchmesser ist und ein Innendurchmesser durch die äußere Oberfläche der Brennstoffleitung definiert ist. Obwohl der im wesentlichen ringförmige Sauerstoffträgerdurchgang, im Querschnitt durch eine senkrecht zur axialen Strömungsrichtung verlaufende Ebene betrachtet, vorzugsweise eine kreisförmige Form hat, kann die Form auch nicht kreisförmig sein, wie allgemein durch die Form des Eingangs in die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer festgelegt.

Mit dem Begriff "Verwirbeler" ist ein Bauteil gemeint, das, wenn es im Weg der Sauerstoffträgerströmung im im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang plaziert ist, bewirkt, daß der Sauerstoffträger eine wesentliche radiale Strömungskomponente hat, obwohl auch eine wesentliche axiale Sauerstoffträgerströmung dadurch zugelassen wird. Als eine Folge davon ist mit dem Begriff "wirbelnde Sauerstoffträgerströmung" eine Sauerstoffträgerströmung sowohl mit einer radialen Strömungskomponente als auch mit einer axialen Strömungskomponente gemeint.

Mit der Formulierung "im wesentlichen zylindrische Brennkammer" ist eine Kammer gemeint, die es zuläßt, daß dadurch Fluide ohne wesentliche Ausdehnung in der axialen Richtung strömen. Es versteht sich, daß es in der Kammer gewisse Unvollkommenheiten geben kann, beispielsweise aufgrund von Herstellungsmethoden, die eine gewisse lokale Ausdehnung von Gasen zulassen. Es versteht sich weiterhin, daß Brennkammern mit kreisförmigen, ovalen oder schlitzförmigen Querschnitten unter den Begriff "im wesentlichen zylindrisch" fallen können.

Mit dem hierin verwendeten Begriff "im wesentlichen torische Brennkammer" ist eine Kammer mit einem Einlaß und einem Auslaß gemeint, wobei der Auslaß einen größeren Durchmesser als der Einlaß hat, der Querschnitt der Kammer allgemein kreisförmig ist und die Kammerwand einen Krümmungsradius hat, wie allgemein in 4 dieser Erfindung dargestellt.

Mit dem hierin verwendeten Begriff "Sauerstoffträger" ist eine Gasströmung gemeint, die vorzugsweise eine Sauerstoffkonzentration hat, die größer als die Sauerstoffkonzentration von Luft unter lokalen Bedingungen ist. Luft kann als der Sauerstoffträger verwendet werden. In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen ist mit "Sauerstoffträger" ein Gas gemeint, das eine Sauerstoffkonzentration von mehr als 50 Prozent hat und in einigen Fällen vorzugsweise mehr als 90 Prozent Sauerstoff enthält.

Die Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung stellen einen verbesserten selbstkühlenden Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner zur Erzeugung der traditionellen (zylindrischen) Flamme und der flachen Flamme in Abhängigkeit von den Wärmeerfordernissen der Charge bereit. Die neuartigen Merkmale des Brennerblocks beinhalten: einen drei Kammern aufweisenden Brennerblock mit einer Verwirbelungskammer, einer Ausdehnungskammer und einer Brennkammer. Die dimensionslosen Schlüsselverhältnisse sind:

• • Ls/Ds-Bereiche von etwa 0,5 bis etwa 5,
• • Le/Ds-Bereiche von etwa 0,25 bis etwa 3, wobei "s" die Verwirbelungskammer angibt,
• • Ausdehnungswinkel-(&Lgr;)-Bereiche von etwa 5° bis etwa 60°,
• • Lc/Dc-Bereiche von 0 bis etwa 2 für die zweite Brennerausführungsform und Bereiche von etwa 1 bis etwa 3 für die erste Brennerausführungsform,
• • Rc/Dc1-Bereiche von etwa 0,25 bis etwa 2 in der zweiten Brennerausführungsform der Erfindung, wobei "c" den Durchmesser der im wesentlichen zylindrischen Brennkammer und "c1" den Durchmesser der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer an ihrem breitesten Punkt angeben,
• • Verwirbelungswinkel-(&bgr;)-Bereiche von etwa 5° bis etwa 30° für die erste Brennerausführungsform und von etwa 30° bis etwa 60° für die zweite Brennerausführungsform.

Die Brennstoffgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise weniger als 45,72 m/Sek. (150 Fuß/Sek.) für den Brenner und das Verfahren des ersten und des dritten Aspekts der Erfindung und weniger als 30,48 m/Sek. (50 Fuß/Sek.) für die vom Brenner und nach dem Verfahren des zweiten und des vierten Aspekts der Erfindung erzeugte flache Flamme. Die Sauerstoffträgergeschwindigkeiten betragen, abhängig von der axialen/tangentialen Verwirbelungskonfiguration, weniger als 91,44 m/Sek. (300 Fuß/Sek.).

Die spezifische Strömungsgeometrie für Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen in den verschiedenen Aspekten der Erfindung sorgen für eine aktive Kühlung und Durchströmung des Brennerblockinneren, um einen kühleren Betrieb zu erzielen und das Einsaugen von Teilchen zu verhindern.

Die Brenner in Übereinstimmung mit der Erfindung nutzen eine neuartige Ausführung der Spitze. Diese Ausführung ist in zweierlei Hinsicht neuartig, wobei erstens eine aerodynamische Form vorgesehen ist, die stromlinienförmige Mischbedingungen für die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung und die mit niedriger Geschwindigkeit strömende Brennstoffströmung erzeugt, die Brennerleistung verbessert und Heißstellen und Niedrigdruckbereiche in der Nähe der Düsenspitze verhindert. Die Düsengeometrie mit einer äußeren konischen Ausbildung von 5° bis 7° und einem geraden internen Brennstoffdurchgang sind wesentliche Teile dieser Form. Zweitens wird eine thermisch wirksame Konstruktion durch eine dickere Brennstoffdüse und durch Konduktions-/Konvektionswärmeabstrahlungsmoden unter Verwendung von Konduktionsrippen erzielt.

Die selbstkühlenden Brennervorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden für einen Einsatz mit Sauerstoffträgern bevorzugt, die eine Sauerstoffkonzentration haben, die größer als diejenige von Luft ist. Die erfindungsgemäßen Brenner und Düsen können in Hochtemperaturöfen (1204 bis 1649°C) (2200°F bis 3000°F) sowie in Öfen mit einem hohen Teilchenanteil (oder mit einem hohen Anteil an flüchtigen Prozeßbestandteilen/Kondensaten) betrieben werden, ohne ihre metallische Brennerdüse und das feuerfeste Brennerblockinnere durch Überhitzung oder eine chemische Korrosion zu beschädigen. Durch die Verwendung verschiedener Ausführungsformen der Düsen- und Blockform kann der Brenner, abhängig von den Wärmeerfordernissen der Charge, eine traditionelle zylindrische Flamme oder eine flache Flamme bieten. Die neuen Merkmale dieses Brenners beinhalten eine einzigartige Brennstoffdüsenausführung für das stromlinienförmige Mischen der Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen, eine gesteuerte Verwirbelungseingabe in die Sauerstoffträgerströmung für die gewünschten Flammenmerkmale, eine gesteuerte Ausdehnung der Flammenhülle in der radialen und der axialen Dimension sowie eine wirksame Durchströmung an der inneren Brennerblockoberfläche unter Verwendung des Sauerstoffträgers, um für eine Konvektionskühlung zu sorgen und einen Aufbau von Prozeßteilchen zu vermeiden. Zusätzlich ermöglicht eine eine relativ dicke Wand aufweisende metallische Düsenausführung mit Konduktionsrippen eine wirksame Wärmeabstrahlung von der Düsenspitze und sorgt für einen wartungsfreien Brennerbetrieb.

1 ist eine Querschnittsseitenansicht einer ersten Brennerausführungsform;

2 ist eine schematische Darstellung verschiedener Abmessungen der ersten Brennerausführungsform;

3 ist eine teilweise schematische Querschnittsseitenansicht der ersten Brennerausführungsform, aus der der wirbelnde Sauerstoffträger ersichtlich ist;

4 ist eine Querschnittsseitenansicht einer zweiten Brennerausführungsform mit verschiedenen Abmessungen;

5 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffdüse in Übereinstimmung mit der Erfindung;

6 ist eine zweite schematische Darstellung der Düse der 5, aus der die ausführungstypischen Wärmeübertragungseffekte ersichtlich sind;

7a und 7b zeigen Daten eines Flammenformgebungsprogramms der ersten Brennerausführungsform mit bzw. ohne wirbelnden Sauerstoffträger; und die

8a und 8b zeigen Daten eines Flammenformgebungsprogramms der zweiten Brennerausführungsform mit bzw. ohne wirbelnden Sauerstoffträger.

Es gibt in jeder Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennerkonstruktionen drei Schlüsselmerkmale, die sich realisieren lassen, um den Betrieb in Öfen mit hohem Teilchenanteil und in Hochtemperaturöfen zu verbessern. Zu diesen drei Schlüsselmerkmalen zählen:

• 1. Eine Brennerblockausführung mit drei Kammern zur Erzeugung einer Sauerstoff-/Brennstoffflamme mit variabler Form und mit entsprechenden Flammenmerkmalen, um die Flammen-/Chargen-Wärmeübertragung zu verbessern.
• 2. Eine spezifische Strömungsgeometrie sowohl für die Brennstoff- als auch für die Sauerstoffträgerströmung, um das Brennerblockinnere mechanisch zu durchströmen und einen Aufbau von Teilchen/flüchtigen Bestandteilen im Brennerblockinneren und in den Brennerspitzen zu verhindern.
• 3. Eine neuartige Ausführung und Konstruktion der Spitzen, um die Wärmeabstrahlung zu verbessern.

1, auf die nunmehr Bezug genommen wird, zeigt in einer Querschnittsseitenansicht die erste Brennerausführungsform 2 in Übereinstimmung mit der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfaßt die Brennervorrichtung einen Brennerblock 4, vorzugsweise in feuerfester Ausführung, mit einem Ende oder einer heißen Fläche 6, einem Ausgang 8 für die Flammen- und heißen Verbrennungsgase sowie mit einem kalten Ende 10. Eine Brennstoffleitung 12 und eine Sauerstoffträgerleitung 14 stehen in Fluidverbindung mit dem kalten Ende 10 des Brennerblocks 4. Die Brennstoffleitung 12, vorzugsweise ein metallisches Rohr, hat eine daran befestigte Düse 16, die in einer Düsenspitze 18 endet. Die Sauerstoffträgerleitung 14 speist ein Sauerstoffträgerplenum 20, das in Fluidverbindung mit dem kalten Ende 10 steht, so daß Sauerstoffträger in einen im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang 22 einströmen kann. Auf seinem Weg zu einem oder mehreren Sauerstoffträgerverwirbelern 24 strömt der Sauerstoffträger durch die Sauerstoffträgerleitung 14, das Plenum 20 und durch den im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang 22, der die Brennstoffleitung 12 umgibt. Der Sauerstoffträger erhält somit eine radiale/tangentiale Strömungskomponente, während er axial durch eine Verwirbelungskammer 26 strömt, und kann sich dann, während noch eine Verwirbelung erfolgt, ausdehnen, während er axial durch eine im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 strömt. Abschließend strömt der Sauerstoffträger, der sich mit dem Brennstoff zu mischen beginnt, in einer wirbelnden Bewegung axial durch einen allgemein zylindrischen Verbrennungshohlraum 30, bevor er durch den Austritt 8 austritt. Der Grad der Ausdehnung in dieser Ausführungsform ist ausreichend, um in der axialen/tangentialen Richtung eine solche Drehung zu bewirken, daß eine traditionelle Flamme erhalten wird. Die Sauerstoffträgerverwirbeler 24 beeinflussen auch den Grad der tangentialen Strömung. Eine überwiegend tangentiale Verwirbeleranordnung wird verwendet, um eine flache Flamme zu erhalten.

Die Flamme wird dadurch gebildet, daß eine Brennstoffströmung mit einer relativ geringen Geschwindigkeit (vorzugsweise im Bereich von etwa 5 Fuß/Sek. bis etwa 150 Fuß/Sek.) und eine wirbelnde Sauerstoffträgerströmung mit verschiedenen axialen/tangentialen Geschwindigkeiten (im Bereich von etwa 50 Fuß/Sek. bis etwa 300 Fuß/Sek.) verwendet werden. Die Brennstoffgeschwindigkeit zur Bildung einer traditionellen Flammenform wird bei etwa 100 Fuß/Sek. oder höher gehalten, während die Erzeugung einer flachen Flamme eine geringere Brennstoffgeschwindigkeit, vorzugsweise im Bereich von etwa 5 Fuß/Sek. bis etwa 50 Fuß/Sek., erfordert. Die Sauerstoffträgerströmung entwickelt sich zunächst durch eine ausreichende Verwirbelungsstärke und -richtung (tangential/axial oder tangential) im Inneren der Verwirbelungskammer 26 und kann sich dann in der radialen Richtung unter Verwendung der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28, die eine vorbestimmte auseinandergehende Geometrie hat, ausdehnen. Drittens kann sich der wirbelnde Sauerstoffträger wahlweise oder teilweise mit der Brennstoffströmung im Inneren des im wesentlichen zylindrischen Verbrennungshohlraums 30 mischen, der spezifische Abmessungen für eine Verbrennung und für die Entwicklung einer wirbelnden Flamme mit traditioneller Form oder für die Entwicklung einer flachen Flamme unter Verwendung einer spezifischen gekrümmten Geometrie hat, wie hierin detailliert beschrieben. Die obigen Brennerblockbereiche für die Gesamtflammenbildung sind in den folgenden Abschnitten ausführlich beschrieben.

Der drei Kammern aufweisende Brennerblock des ersten Aspekts der Erfindung ist in 2 schematisch dargestellt, um die verschiedenen Abmessungen zu veranschaulichen. Jeder Bereich des Brennerblocks erfüllt hinsichtlich der Erzeugung der optimalen Flammenmerkmale auf der Basis der Gesamtflammenbildung einen spezifischen Zweck. Die Verwirbelungskammer 26 hat einen Verwirbelungsbereich 32. Die Verwirbelungskammer 26 hat vorzugsweise mehrere Führungsschaufeln (in einer vorbestimmten Anzahl), die an der äußeren Oberfläche der Brennstoffdüse 16 in einem vorbestimmten Winkel installiert sind (alternativ können eine oder mehrere Führungsschaufeln in dem im wesentlichen ringförmigen Sauerstoffträgerdurchgang 22 zwischen der Brennstoffdüse 16 und dem feuerfesten Brennerblock 4 vorgesehen sein). Die Anzahl der Führungsschaufeln 24 variiert vorzugsweise zwischen 4 und 16, abhängig vom Gesamtdurchmesser der Verwirbelungskammer. Bei den Führungsschaufeln 24 handelt es sich vorzugsweise um dünne Rippen aus Metall, die an der äußeren Oberfläche der Brennstoffdüse 16 angeschweißt sind. Der Führungsschaufelwinkel &bgr; (zur Flammenaxialachse) liegt im Bereich von 5° bis 30°, um eine traditionelle (zylindrische) Flamme zu entwickeln. In sehr kleinen Brennern oder Systemen, die für die Erzeugung einer brennstoffreichen Flamme ausgelegt sind, können die Führungsschaufeln in einer Brennstoffdüse mit einer relativ dicken Wand durch maschinelles Bearbeiten herausgearbeitet werden. Der ringförmige Bereich um die Brennstoffdüse und stromabwärts hinter den Führungsschaufeln wird als die Verwirbelungskammer bezeichnet. Sie hat spezifische Abmessungen zur Erzeugung eines wirbelnden Sauerstoffträgers mit der erforderlichen Stärke (Verwirbelungszahl) oder dem erforderlichen axialen/tangentialen Momentum. Das erste dimensionslose Schlüsselverhältnis ist L_s/D_s, das vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa 5 reicht. Die Länge L_s stellt eine Distanz bereit, in der sich die durch den Sauerstoffträgerverwirbeler erzeugte Verwirbelung in einem Bereich mit konstantem Durchmesser vollständig entwickelt. Dieser Bereich wird vorzugsweise nicht über das Verhältnis (L_s/D_s) = 5 hinaus vergrößert; bei über 5 liegenden Werten beginnt sich die bereits entwickelte Sauerstoffträgerverwirbelung abzuschwächen und ihre Stärke in der tangentialen/axialen Richtung zu verlieren. Dies ist auf die Wandreibung im Inneren der Verwirbelungskammer zurückzuführen.

Das zweite wichtige Merkmal, wie in 2 dargestellt, ist die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28, die einen Bereich einer sich ausdehnenden Sauerstoffträgerströmung 34 definiert. Dies ist ein auseinandergehender Bereich, in dem sich die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung in der radialen Richtung ausdehnen kann. Der Zweck besteht darin, die Sauerstoffträgerströmung radial auszudehnen und einen gesteuerten Mischungszustand mit der Brennstoffströmung aufrechtzuerhalten, wie schematisch in 3 dargestellt. Wenn die Ausdehnung nicht durchgeführt wird, vermischt sich die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (auf der Basis der Verwirbelungsstärke) innig mit der Brennstoffströmung und erzeugt ein gründlich gemischtes Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoffträger. Die Verbrennung eines solchen Gemisches erfolgt aufgrund der relativ hohen Reaktionsraten unverzüglich und erzeugt eine Flamme mit sehr hoher Temperatur, die die meisten feuerfesten Brennerblöcke zum Schmelzen bringen kann. Um das Mischvermögen der Sauerstoffträgerströmung zu reduzieren, reicht der Ausdehnungswinkel &Lgr; vorzugsweise von etwa 5° bis etwa 60°. Die axiale Länge Le der Ausdehnungskammer ist auf ein bestimmtes L_e/D_s-Verhältnis festgelegt, das von etwa 0,25 bis etwa 3 reicht. Eine größere Länge L_e bewirkt, daß sich die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (und auch die Flamme 38) mehr in der radialen Richtung (abhängig vom Ausdehnungswinkel &Lgr;) ausdehnt, bevor sie sich mit der Brennstoffströmung vermischt. Dies erfolgt insbesondere (bei großen Ausdehnungswinkeln), um eine flache Flamme zu entwickeln. Eine kleinere Länge Le läßt es sofort zu, daß sich die Sauerstoffträgerströmung mit der Brennstoffströmung vermischt, was nützlich sein kann, um eine traditioneller geformte Flamme zu entwickeln.

Der im wesentlichen zylindrische Verbrennungshohlraum 30 erzeugt einen Verbrennungsbereich 36 (2). Dies ist ein Endbereich, in dem Brennstoff und Sauerstoffträger für die Gesamtflammenbildung in gesteuerter Weise vermischt werden. Der im wesentlichen zylindrische Verbrennungshohlraum 30 ist so ausgeführt, daß darin das Vermischen des Brennstoffs und des wirbelnden Sauerstoffträgers, das bereits in der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 stattgefunden hat, ergänzt wird. Die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung kann sich in der radialen Richtung in einem gewissen Ausmaß in der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 ausdehnen. Der im wesentlichen zylindrische Verbrennungshohlraum 30 wird verwendet, um den Ausdehnungsprozeß in der radialen Richtung anzuhalten und im Bereich 36 auf der Basis der Mischbedingungen eine Flamme 38 zu erzeugen. Das dimensionslose L_c/D_c-Verhältnis der Brennkammer (siehe 2) ist auf der Basis der gewünschten Flammenform gewählt. In Tabelle I sind einige Flammengrundtypen auf der Basis des Flammenmomentums und des ungefähren Bereichs des L_c/D_c-Verhältnisses aufgelistet. Diese Zahlen basieren auf kumulativen experimentellen Daten und Berechnungsstudien bei verschiedenen Brenntemperaturen.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, auf den nunmehr Bezug genommen wird, ist die Ausführung der Brennkammer für die Bildung einer flachen Flamme, verglichen mit der traditionellen (zylindrischen) Flamme, etwas anders gestaltet. Die flache Flamme wird aufgrund des "Coanda"-Effekts und unter Verwendung einer gekrümmten Geometrie im Brennkammerausgang gebildet, wie durch die Brennervorrichtung 50 in 4 veranschaulicht. Hier erstreckt sich die im wesentlichen konische Sauerstoffträgerausdehnungskammer 28 in die Brennkammer hinein, wobei der Radius R_c tangential zum auseinandergehenden Bereich der Ausdehnungskammer verläuft. Das R_c/D_c1-Verhältnis reicht von etwa 0,25 bis etwa 2. Ein kleineres Verhältnis für den Radius R_c wird für kleinere Brenner und ein größeres Verhältnis für größere Brenner verwendet.

Das allmähliche Auseinandergehen in der radialen Richtung in der in 4 dargestellten Brennervorrichtung ist notwendig, um die Flammendrehung in der sich ständig ausdehnenden radialen Richtung zu unterstützen und eine Entwicklung der Flamme in der flachen Formstruktur zu ermöglichen. Der Verwirbelerwinkel (Führungsschaufelwinkel &bgr; im Verhältnis zur Flammenachse) für die Erzeugung einer flachen Flamme wird auch relativ hoch gehalten und reicht vorzugsweise von etwa 30° bis etwa 60°. Es wurde festgestellt, daß sich die flache Flamme an die Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer und anschließend aufgrund des Coanda-Effekts an die Ofenwand andrückt. Die sich drehende Flamme mit einem relativ großen Durchmesser in der Nähe der heißen Fläche des Brennerblocks sorgt für den Strahlungswärmefluß zur Charge.

Die Ausführung der Brennkammer und insbesondere verschiedene Abmessungen, dimensionslose Verhältnisse und Winkel sind so gewählt, daß immer ein Film aus relativ kühlem Sauerstoffträger in der Nähe der inneren Wand der im wesentlichen konischen Sauerstoffträgerausdehnungskammer und der stromabwärts dahinter befindlichen Abschnitte der Brennervorrichtung vorhanden ist. Eine Hauptaufgabe der Brennervorrichtungen und Verfahren der Erfindung besteht darin, einen Film aus sich drehendem Sauerstoffträger aufrechtzuerhalten, der über den gesamten Flammenweg immer nahe an der inneren Wandoberfläche verbleibt. Dies ist in 3 für die erste Brennervorrichtung der Erfindung dargestellt.

Für die Brennstoffströmung und die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung wird eine spezifische Strömungsgeometrie vorgeschlagen, so daß das Vermischen zwischen Brennstoff und Sauerstoffträger sorgfältig gesteuert wird, um ein Brennerleistungsverhalten mit variabler Flammenform zu bieten. Eine traditionelle zylindrische Flamme oder eine flache Flamme kann dadurch erhalten werden, daß einfach die Brennerspitzen und die innere Brennerblockgeometrie verändert werden. In vielen Fällen kann ein feuerfester Einsatz mit der erforderlichen internen Geometrie in den vorhandenen Brennerblock eingesetzt werden, um die interne Brennerblockgeometrie zu verändern. Dies würde eine lange Unterbrechung des Erwärmungsprozesses verhindern. Die Gesamtaufgabe wird mit einem gleichmäßigen Wärmefluß zur Charge und ohne übermäßige Flammentemperaturen oder eine Überhitzung von Brennerteilen erfüllt. In Öfen, die hohe Konzentrationen von Prozeßteilchen oder flüchtigen Bestandteilen enthalten, ist dieses Konzept eines aktiven Durchströmens des Brennerblockinneren sehr wichtig, weil sich ansonsten Material innerhalb des Brennerblocks aufbauen könnte. Unter einigen Strömungsbedingungen, insbesondere bei hohen Brenntemperaturen, können sich Bereiche mit niedrigem Druck oder Rezirkulationszonen entwickeln, und Teilchen aus der Ofenatmosphäre können in das Innere der Brennkammer eindringen und dort Teilchenmaterial ablagern. Wenn ein aktives Durchströmen nicht durchgeführt wird, können sich Teilchen ansammeln und einen negativen Einfluß auf die Gesamtflammenfluiddynamik ausüben. Es ist nicht unüblich, daß die Flamme abgelenkt wird, auf die feuerfeste innere Oberfläche des Blocks aufprallt und dadurch einen katastrophalen Blockausfall bewirkt. Die schematische Darstellung in 3 zeigt die aktive Brennerblockkühlung und den Teilchendurchströmungsprozeß.

Die Kondensation flüchtiger Bestandteile an der Brennerdüsenspitze kann auch unter gewissen Bedingungen ohne aktives Durchströmen des Brennerblocks erfolgen. Kondensierte Salze können mit metallischen Düsenspitzen reagieren. Im Falle einer chemischen Reaktion kann eine beschleunigte Korrosion einen vorzeitigen Ausfall zur Folge haben. Die kondensierten Salze können sich auch in aufeinanderfolgenden Schichten an der Düsenspitze aufbauen, was Strömungseinschränkungen oder Flammenablenkungen bewirken kann. Es kann wiederum zu einem katastrophalen Ausfall des Blocks kommen.

Bei der traditionellen Brennerkonstruktion (in Rohr-in-Rohr-Ausführung) ist die Erdgasdüse typischerweise näher zur heißen Zone hin vorgesehen, um eine wesentliche Flammenbildung im Brennerblock zu verhindern. Selbst bei Anwendungen mit einem geringen Teilchenanteil kann diese Anordnung eine beschleunigte Korrosion der Düse hervorrufen. Diese Korrosion kann selbst bei exotischen Materialien, beispielsweise bei Inconel 600- und PM 2000-Legierungen, auftreten. Es wurden zwei unterschiedliche Korrosionsmechanismen festgestellt. An der Innenseite der Düse, die dem Erdgas ausgesetzt ist, kann eine starke Metallstaubbildung auftreten, insbesondere bei einer Inconel 600-Legierung. An der Außenseite der Düse kann es zu Lochfraß und zu einer Chromabreicherung kommen. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, ist eine neuartige Düse mit zwei verschiedenen Auslegungsmerkmalen konstruiert worden.

Die interne und externe Brennstoffdüsengeometrie ist optimiert, um die Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen aerodynamisch zu vermischen. Dies ist schematisch in 5 dargestellt. Wie aus 5 ersichtlich, kann sich die wirbelnde Sauerstoffträgerströmung (in der axialen/tangentialen Richtung) mit der Brennstoffströmung allmählich und in einer aerodynamischen Weise vermischen, ohne daß es zu einem scharfen Schnittpunkt zwischen den beiden Fluidströmungen kommt. Der externe Winkel der Brennstoffdüse, &thgr;, ist auf einen Wert festgelegt, der nur von etwa 5° bis 7° reicht. Diese Ausführung vermeidet eine Strömungstrennung in der wirbelnden Sauerstoffträgerströmung. Die Grenzschichttheorie für einen turbulenten Strahl zeigt, daß bei Gasströmungswinkeln von mehr als 7° die Möglichkeit einer Strömungstrennung besteht. Eine getrennte Sauerstoffträgerströmung hat Rezirkulationsbereiche und einen Niedrigdruckbereich im Staubereich (18a und 18b) der Brennstoffdüse 16 zur Folge. Turbulente Wirbel in den Rezirkulationsbereichen können bewirken, daß die Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen beschleunigt vermischt werden und sich die Heißstelle bildet. In einigen Fällen können diese Heißstellen zur Rußbildung führen oder Prozeßteilchen (d.h. von der gerade erwärmten Charge) dazu anregen, sich aufgrund der Staubereiche 18a, 18b an der Brennstoffdüsenspitze abzulagern.

Die Brennstoffdüsenkonstruktion 16 ist so beschaffen, daß sie sowohl "konduktive" als auch "konvektive" Wärmeübertragungsmechanismen vorteilhaft für eine wirksame Wärmeabstrahlung nutzen kann. Die Ausführung mit hoher Wärmekonduktion wird durch die Verwendung einer relativ dickeren Düsenkonstruktion erzielt. Im allgemeinen Betrieb ist die durch die erfindungsgemäße Brennervorrichtung und nach den Verfahren der Erfindung erzeugte Flamme an der Düsenspitze verankert. Die Düsenspitze sollte daher in der Lage sein, Wärme vom konzentrierten Spitzenbereich abzuleiten und sie über eine gewisse Distanz zu einer Stelle stromaufwärts vor der Brennstoffdüse (zur Brennstoffzuführung hin) zu übertragen. Wie in 6 dargestellt, strömen die Brennstoffströmung "F" und die Sauerstoffträgerströmung "O" von stromaufwärts nach stromabwärts; von links nach rechts, wie aus 6 ersichtlich. Die dickere Düse 16 läßt diesen "Axialkonduktions"-Modus zu, wie durch die Pfeile 56 verdeutlicht. Die übertragene Wärme wird dann von den strömenden Brennstoff- und Sauerstoffträgerströmungen (an beiden Seiten der Düse) durch Zwangskonvektionswärmeübertragung aufgenommen, wie bei 54 dargestellt. Kurz gesagt: Die relativ dickere Spitze läßt eine wirksame Wärmeübertragung durch eine Axialkonduktion 56 und anschließend durch eine wirksame Zwangskonvektion 54 zu. Die Zwangskonvektionsmoden beruhen auf der strömenden Brennstoffströmung und der strömenden (wirbelnden) Sauerstoffträgerströmung. Zusätzlich wirken die für den wirbelnden Sauerstoffträger verwendeten Führungsschaufeln 24 auch als "Wärmekonduktionsrippen" und übertragen die Wärme (58) konduktiv ganz wirksam auf ringförmige wirbelnde Sauerstoffträgerströmungen. Abhängig von der Anzahl der Rippen (vorzugsweise etwa 4 bis etwa 16) können die Wärmekonduktion und anschließend der Wirkungsgrad der Zwangskonvektionswärmeübertragung ganz wesentlich verbessert werden. In den verschiedenen experimentellen Tests hat sich gezeigt, daß die Düsentemperatur bei Verwendung der obigen Spitzenausführung bei gleicher Brenntemperatur und Verwendung einer ähnlichen Geometrie für andere Brennerauslegungsparameter von 538°C auf 149°C (von 1000°F auf 300°F) reduziert wurde.

Die neuartigen Düsen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise mittels einer Standardgewindeverbindung mit der Brennstoffleitung verbunden, um die Düse leicht ersetzen oder Düsen für unterschiedliche Brenntemperatureinsätze ändern zu können.

Eine numerische Simulation des in der ersten Ausführungsform beschriebenen Brenners wurde unter Verwendung des für fluiddynamische Berechnungen ausgelegten Computerprogramms FLUENT/UNS durchgeführt. Die verwendete Domäne war ein 2D-achsensymmetrisches Feld mit Verwirbelung. Zu den eingesetzten physikalischen Modellen zählen das PDF-Modell für die Verbrennung, das RNG-k-Epsilon-Modell für die Turbulenz und das P1-Modell zur Berücksichtigung der Wirkungen einer Strahlungswärmeübertragung. Die berücksichtigte Erdgasströmungsrate betrug 96,93 Nm³/h (2.300 Standardkubikfuß/h), und die Sauerstoffträgerströmungsrate belief sich auf 206,5 Nm³/h (4.900 Standardkubikfuß/h). Die virtuellen Wände des Brennraums wurden als adiabatisch angenommen, und die konduktive Wärmeübertragung durch die Blockwand wurde berücksichtigt. Zu Vergleichszwecken wurden zwei unterschiedliche Fälle untersucht: der Basisfall ohne Verwirbelung sowie der zweite Fall mit einem Verwirbelungswinkel &thgr; von 20° nur für die Sauerstoffströmung.

Die 7a und 7b zeigen das Sauerstoffprofil in den beiden Fällen, 7a für die nicht verwirbelte Strömung und 7b für die Strömung mit Verwirbelung, für einen in Übereinstimmung mit 1 konstruierten Brenner. Die Ergebnisse zeigen, daß die Verwirbelung einen wichtigen Einfluß bei der radialen Einschränkung der Sauerstoffstreuung hat, wobei sich der meiste Sauerstoff näher zur Brennerachse hin konzentriert. Diese Muster werden den Differenzen im Sauerstoffmomentum zugeschrieben, und die Folgen dieser Muster für den Brennerbetrieb werden unter Bezugnahme auf die 8a und 8b erörtert.

Die 8a und 8b zeigen die Temperaturprofile für den Fall ohne Verwirbelung (8a) bzw. mit Verwirbelung (8b) wiederum für einen in Übereinstimmung mit 1 konstruierten Brenner. Die Temperaturprofile zeigen, daß der Fall mit Verwirbelung in 8b zu einer längeren Flamme führt, die sich, verglichen mit der "trägeren" Flamme in dem Fall ohne Verwirbelung (8a), wesentlich mehr zur Brennerachse hin konzentriert. Die Flamme in dem Fall ohne Verwirbelung tendiert dazu, radial zur Chargenoberfläche (nach unten) und zu den Wandoberflächen (nach oben) hin zu streuen. Die Differenz in der Temperaturverteilung ist für verschiedene industrielle Anwendungen, beispielsweise für die Glasherstellung, von großer Bedeutung. Das Einführen der Verwirbelung hat somit niedrigere Temperaturen sowohl an der geschmolzenen Glasoberfläche als auch an den Ofenwänden zur Folge, wie aus den 8a und 8b erkennbar. Dieses Muster führt zu geringeren Emissionen aus dem geschmolzenen Glas, was ein sehr wichtiges Merkmal für den erfindungsgemäßen Brenner ist, sowie zu einem geringeren Verschleiß an der Ofenkrone. Die aus den 8a und 8b ersichtlichen Temperaturverteilungen zeigen auch, daß die direktere Flamme der verwirbelten Strömung zu einem niedrigeren Temperaturprofil im Brennerblock führt. Dies ist angesichts der in handelsüblichen Glasöfen anfallenden hohen Temperaturen, die die Brennerlebensdauer drastisch verkürzen und sich folglich auf den Ofenwirkungsgrad auswirken können, ein anderer wichtiger Parameter der erfindungsgemäßen Brenner. Zusätzlich besitzt die verwirbelte Strömung ein höheres Momentum für die Sauerstoffströmung, was zu einer verbesserten Konvektionskühlung der Brennerspitze und des Brennerblocks führt, wobei die durchschnittlichen Temperaturen im Vergleich zu der Strömung ohne Verwirbelung niedriger sind. In den hier vorgestellten Fällen ist das durchschnittliche Sauerstoffmomentum für die verwirbelte Strömung etwa 10% höher als in dem Fall ohne Verwirbelung. Dieser Faktor, kombiniert mit der durch die Gechwindigkeitstangentialkomponente bereitgestellten Zentrifugalkraft, führt zu einer verbesserten Strömung in der Nähe der Wände des Brennerblocks und folglich zu einem höheren konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten. Der Fall ohne Verwirbelung führt somit zu einem höheren Temperaturprofil im Brennerblockauslaß, mit Temperaturen, die bis zu 43,3°C (110°F) höher als in dem Fall mit Verwirbelung liegen.

Die 7a, 7b, 8a und 8b zeigen auch, daß eine anfänglich ausgedehnte Brennkammer mit nicht konstantem Durchmesser, gefolgt von einer im wesentlichen zylindrischen Brennkammergeometrie, die Aufrechterhaltung einer Sauerstoffträgerverwirbelung aufgrund einer geringeren Wandreibung positiv beeinflußt. Wenn nicht zugelassen wird, daß sich eine wirbelnde Fluidströmung in der Verwirbelungskammer entwickeln und sich dann in der radialen Richtung ausdehnen kann, stirbt die Verwirbelungsintensität aufgrund der Wandreibungswirkungen rasch ab. In einer Brennkammer mit konstantem Durchmesser reagiert andererseits der wirbelnde Sauerstoffträger aufgrund der engen Nähe in der Brennkammer zu schnell mit dem Brennstoff, wodurch eine kurze, intensive Flamme erzeugt wird. Die Kühlung des Brennerblocks wird auch durch das Vorhandensein eines Ausdehnungsbereichs aufgrund des langsameren Ausbrennens des wirbelnden Sauerstoffträgers in einer Brennkammer mit einem relativ breiteren Durchmesser positiv beeinflußt.

Nach mehreren Labortests mit einem in Übereinstimmung mit den 1 und 2 konstruierten Brenner wurden zusätzliche Tests in einem zur Herstellung von Borsilikatwolleisolierung (Glasfasern) verwendeten Ofen durchgeführt. Die Leistung des Ofens mit einer Schmelzfläche von 68,75 m² (740 Quadratfuß) betrug etwa 150 Tonnen/Tag, wobei 10 herkömmliche Sauerstoff-/Brennstoff-Brenner in Rohr-in-Rohr-Ausführung verwendet wurden, die unter dem Handelsnamen ALGLASS^TM von Air Liquide America Corporation, Houston, Texas, vertrieben werden. Die Brenntemperatur des Ofens betrug etwa 5.5651 MM W (19 MM Btu/h). Die herkömmlichen Brenner mußten, da sich im Ofen hohe Anteile von Teilchen, Kondensaten und flüchtigen Bestandteilen angesammelt hatten, wöchentlich gereinigt werden. Die Brennerdüse und die Brennerblöcke mußten regelmäßig gereinigt werden. Der Kunde erklärte sich mit einem begrenzten Feldversuch einverstanden, bei dem ein verbesserter Brenner gemäß dieser Erfindung mit einer Leistung von 500 kW bei Anordnung auf halber Länge eingesetzt wurde. Die Aufgaben bestanden darin, die Wartungs- und Reinigungserfordernisse bei Verwendung des neuen Brenners zu verringern. Der herkömmliche Brenner wurde herausgezogen, und der neue Brenner und Brennerblock (wie schematisch in den

1 und 2 dargestellt) wurden installiert. Die Brenner- und Blockdaten sind wie folgt:

Geschwindigkeit (Sauerstoffträger) = 6,7 bis 26,1 m/Sek. (22 bis 75 Fuß/Sek.);

Geschwindigkeit (Brennstoff) = 13,92 bis 39,62 m/Sek. (40 bis 130 Fuß/Sek.);

Lc/Dc = 1,78;

Dc = 8,59·10^-2 m (3,38 Zoll);

Le = 15% der Brennkammergesamtlänge Lt, wobei Lt = Le + Lc;

Ds = 5,56·10^-2 m (2,2 Zoll);

Lc = 0,15 m (5,9 Zoll); Ls = 0,05 m (2 Zoll); Le = 2,7·10^-2 m (1,06 Zoll); und Verwirbelungswinkel &thgr; = 10°.

Der Brenner arbeitete mit einer durchschnittlichen Brenntemperatur von 673670 MW (2,3 MM Btu/h) und erzeugte eine durchschnittliche Flammenlänge von 8 Fuß sowie eine Flammenbreite von etwa 0,51 m (20 Zoll). Die Flamme war sehr leuchtend (mehr als bei dem unter dem Handelsnamen ALGLASS^TM bekannten herkömmlichen Brenner) und viel breiter. Die Temperaturen im Blockinneren (gemessen mit einem optischen Pyrometer) waren aufgrund der Kühl-/Durchströmungswirkung des Sauerstoffträgers niedriger. Die Brennerdüse war mit 93 bis 149°C (200 bis 300°F nach Langzeitbetrieb) sogar noch kühler. Nach einem mehrwöchigen kontinuierlichen Betrieb wurde der erfindungsgemäße Brenner zur Inspektion herausgezogen. Er erwies sich als sehr sauber und erforderte keinerlei Reinigung. Der Brennerblockhohlraum war ebenfalls sehr sauber. In Absprache mit dem Kunden wurde beschlossen, den gesamten Ofen (10 Brenner) auf die erfindungsgemäßen Brenner umzurüsten. Nach einem neunmonatigen kontinuierlichen Betrieb hatte sich gezeigt, daß die neuen Brenner keine regelmäßige Reinigung erforderten.

Die verschiedenen Aspekte der Erfindung wurden mit Blick auf zahlreiche Vorteile beschrieben, aber für den Fachmann auf diesem Gebiet versteht es sich, daß an den hierin beschriebenen Brennervorrichtungen und Verfahren kleinere Variationen und Modifizierungen vorgenommen werden können, die als unter den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallend angesehen werden.