Die vorliegende Erfindung betrifft Weiterentwicklungen, die an Industriebrennern mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff vorgenommen wurden.

Das technische Gebiet der Erfindung ist der Bereich der Herstellung von Industriebrennern.

Die vorliegende Erfindung hat genauer Weiterentwicklungen an Brennern mit gasförmigem Brennstoff mit sehr geringem Stickoxidausstoß zum Gegenstand, mit primären Brenngaseinspritzvorrichtungen, die im Zentrum des Brenners angeordnet sind, und sekundären Umfangseinspritzvorrichtungen, die dafür bestimmt sind, entweder in einer Öffnung, die dafür in der Wand eines Behälters vorgesehen ist, wie die Brennkammer oder der Feuerraum eines Ofens oder eines Kessels, oder im Mittelbereich einer Turbinenabgaszirkulationsleitung eines kombinierten Stromwärmekraftwerks angeordnet zu sein, um diese Abgase wieder zu erwärmen.

Um den Gehalt an Stickoxiden in den Rauchgasen zu verringern, ist bekannt, den Gehalt an freiem Sauerstoff in den Gasen in der Flamme zu verringern, um eine zu starke Kombination dieses Sauerstoffs mit dem Luftstickstoff zu vermeiden, und die maximale Temperatur der Flamme zu begrenzen. Um den Sauerstoffgehalt in der Flamme zu verringern und die Flammentemperatur zu verringern, besteht eine Lösung darin, einen Teil der in dem Feuerraum vorhandenen Rauchgase zurückzuführen: es ist bekannt, diese Rückführung mit Hilfe von Ausstoßsystemen durchzuführen, welche den durch den Ausstoß des Brennstoffs geschaffenen Unterdruck einsetzen.

Außerdem ist es bekannt, dass zur Begrenzung der maximalen Flammentemperatur die Verbrennung gestaffelt werden kann, d.h. anstatt den gesamten Brennstoff und den gesamten Verbrennungsträger in einem einzigen Bereich freizusetzen, wird in Schritten vorgegangen: entweder wird die Einspritzung des Verbrennungsträgers abgestuft, ohne die Einspritzung des Brennstoffs zu verändern, oder andersherum wird die Einspritzung des Brennstoffs abgestuft, ohne diejenige des Verbrennungsträgers abzustufen; die gestaffelte Verbrennungsträgereinspritzung bewirkt auch ein Absenken des freien Sauerstoffgehalts, im Gegensatz zu der abgestuften Einspritzung des einzigen Brennstoffs.

Die vorliegende Erfindung hat genauer einen Brenner zum Gegenstand, in welchem die beiden oben dargelegten Verfahren der Rückführung der Rauchgase einerseits und der Abstufung der Brennstoffversorgung andererseits kombiniert werden.

Das US-Patent 5,073,105 beschreibt einen Brenner, welcher an einer Wand eines Ofens angebracht ist, und welcher einen Block aufweist, der von Öffnungen durchbohrt ist, welche primäre und sekundäre Brennstoffeinspritzdüsen aufnehmen, und der einen primären Verbrennungsbereich begrenzt; die Luft dringt in diesen Bereich durch eine perforierte Platte ein und mischt sich mit horizontalen und/oder radialen Brennstoffstrählen, die mit den Rauchgasen vermischt sind, welche durch den Unterdruck angesaugt werden, der durch diese Strähle durch die in dem Block vorgesehenen, entsprechenden Öffnungen entsteht; vertikale Brennstoffsträhle, vermischt mit den Rauchgasen, die durch weitere Öffnungen angesaugt werden, gelangen am unterstromigen Ende des Blockes in einen anderen Brennbereich.

Das US-Patent 5,284,438 beschreibt einen Brenner von ähnlicher, aber komplexerer Struktur, bei welchem der Block des Brenners einen Mischrohrkopf und ein Mischrohr, die durch eine Einschnürung voneinander getrennt sind, begrenzt und Leitungen zum Ansaugen der Rauchgase durch Brennstoffdüsen aufweist, welche durch ihre Abmessungen, ihre verjüngte Form am Eingang, ihre geneigte Position und ihren in dem Mischrohr angeordneten Ausgang dafür geeignet sind, eine definierte Dosierung des Brennstoff-Rauchgas-Gemisches und seine Einspritzung in einen Bereich zur Mischung mit Luft, der in dem Mischrohr angeordnet ist, sicherzustellen; dieser Brenner umfasst eine zentrale Einspritzleitung für den Brennstoff, die mit einer Spritzdüse ausgestattet ist, und einen Flammenstabilisator; diese Struktur bewirkt die Ausbildung von wirbelnden und strudelnden Strählen (eines Brennstoff-Rauchgas-Gemisches), und bewirkt ihre Vermischung mit Luft in den von dem Block begrenzten Mischbereichen.

Diese Brenner, deren Ansaugleitungen für die Rauchgase in allgemein aus feuerfestem Beton hergestellten, dicken Blöcken gebildet sind, sind zerbrechlich, sperrig, kostspielig und schwierig zu warten.

Die Druckschrift EP 675 321 beschreibt einen Brenner mit gasförmigem Brennstoff, der mehrere primäre Brennstoffeinspritzrohre aufweist, welche in dem Mittelbereich einer Luftversorgungsleitung angeordnet sind, die von dem röhrenförmigen Brennerkörper begrenzt ist; die Enden der Rohre sind nach außen gebogen und unter den Schlitzen eines Flammenstabilisators angeordnet, und zudem sind die Enden der Rohre von Löchern durchbohrt, durch welche das Brennstoffgas durch die Schlitze des Stabilisators in den Feuerraum eingespritzt wird; der Brenner umfasst außerdem (sekundäre} Einspritzrohre für den gasförmigen Brennstoff, welche um die primären Einspritzrohre herum verteilt sind, und welche mit einer eigenen Einspritzdüse enden, die jeweils in eine Rückführleitung für die in dem Feuerraum erzeugten Rauchgase münden; diese sekundären Einspritzrohre sowie die zugeordneten Rückführleitungen sind im Inneren des Luftkanals angeordnet, um ihre Abkühlung durch die Luft, die dort zirkuliert, sicherzustellen.

Jede Rückführleitung mündet parallel zu dem Luftkanal in den Feuerraum und steht an ihrem anderen Ende mit dem Feuerraum durch eine in der Wand des Luftkanals, am äußeren Umfang des Brenners gebohrte Öffnung in Verbindung; diese Öffnungen ermöglichen durch die Ansaug- und Antriebswirkung, eine Rückführung der Rauchgase durchzuführen, die sich mit dem Brennstoffgas vermischen und die Bildung von Stickoxiden verringern; um diese Verringerung durch eine Vergrößerung der Abstufung der Verbrennung zu ergänzen, weist der Brenner (tertiäre) Brennstoffeinspritzrohre auf, welche die Wand der Einfassung des Feuerraums durchqueren; jedes Rohr ist einem Luftversorgungskanal zugeordnet, der das Rohr umgibt.

Das EP-Patent 675 321 beschreibt außerdem einen Brenner, der mit tertiären Brennstoffeinspritzvorrichtungen versehen ist, deren Leistungen verringert sind.

Der in dieser Druckschrift beschriebene Brenner weist bestimmte Nachteile auf: die aus den Rohren und den diesen tertiären Einspritzvorrichtungen zugeordneten Luftkanälen abgegebenen Gasströme neigen dazu, einen Vorhang zu bilden, der die sekundären Einspritzvorrichtungen für das Brennstoffgas umgibt, was dazu führen kann, dass die Wirksamkeit des Rauchgasrückführsystems durch die sekundären Brennstoffgaseinspritzvorrichtungen beeinträchtigt und begrenzt wird; ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Schwierigkeit die Wirkung zu regeln und zu beherrschen, die von den Luftstrählen erzeugt wird, welche die Gassträhle der tertiären Einspritzvorrichtungen umgeben, und insbesondere diese koaxialen Strähle und ihre für eine gute Verbrennung notwendige Mischung mit den anderen Strählen zu handhaben, die von diesem Brenner erzeugt werden, welcher mit drei unterschiedlichen Einspritzsystemen für das Brennstoffgas und zwei unterschiedlichen Systemen zum Transport und zur Einspritzung von Luft in diesen Brenner (und den Feuerraum) ausgestattet ist; außerdem liegt ein Nachteil, der mit den Rohren verbunden ist, welche sich durch die die Einfassung des Feuerraums begrenzenden Wände erstrecken, in der großen Sperrigkeit dieses Systems und in der Schwierigkeit, ein solches System, das teilweise in der Einfassungsmauer des Feuerraums eingebettet ist, zu reparieren, zu warten und/oder zu verändern.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Brenner vorzuschlagen und zumindest zum Teil den Nachteilen der bekannten Brenner abzuhelfen, wobei ihre Leistungen bei der Verringerung der Bildung von Stickoxiden noch verbessert werden.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, die Selbstrückführung der Rauchgase zu verbessern.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht ebenfalls darin, einen kompakten, einfachen, kostengünstigen Brenner vorzuschlagen, der in einer Transportleitung für Turbinenabgase eingesetzt werden kann.

Gemäß einem ersten Gedanken besteht die Erfindung darin, einen Brenner mit gasförmigem Brennstoff vorzuschlagen, der eine zentrale Brennstofftransportleitung, eine zentrale Lufttransportleitung, welche die zentrale Brennstoffleitung umgibt, und mehrere Umfangstransportleitungen für den gasförmigen Brennstoff aufweist, die sich zumindest zum Teil außerhalb der zentralen Lufttransportleitung, vorzugsweise parallel zu dieser, erstrecken und jeweils mit einer Ausstoßdüse für den Brennstoff enden; der Brenner umfasst außerdem ein geradliniges Teilstück einer zylindrischen Leitung (oder eines Rohrs) zur Rückführung der Rauchgase, welche in der Verlängerung jeder Düse und mit Abstand (nach vorne) von dieser angeordnet ist; die Lufttransportleitung und die Ansaugleitungen für die Rauchgase sind aus Metall, liegen praktisch parallel zueinander und münden vorzugsweise praktisch in einer gleichen Ebene, die senkrecht zu der Längsachse des Brenners liegt; die Rauchgasansaugleitungen sind auf dem Metallkörper des Brenners befestigt, vorzugsweise auf der Lufttransportleitung, durch eine Metallverbindung, welche durch Leitung dazu beiträgt, die Kühlung der Ansaugleitungen durch den Brennerkörper (insbesondere durch die Luftleitung) sicherzustellen, der selbst durch die Luft gekühlt wird, die er transportiert.

Aufgrund dessen, dass die Rauchgaszirkulationsleitungen im Gegensatz zu dem in dem EP-Patent 675 321 beschriebenen Brenner nicht in das Innere der Luftleitung vorragen, beeinträchtigen sie nicht die Funktion des Brenners, insbesondere wenn dieser – der hierzu mit einem zentralen Einspritzrohr für flüssigen Brennstoff versehen ist – nur mit flüssigem Brennstoff gespeist wird.

Versuche haben gezeigt, dass ein solcher Brenner einen geringen Stickoxidausstoß erzeugt.

Die Position der Rauchgaszirkulationsleitungen, die außerhalb der Luftleitung angeordnet sind, führt zu einer Trennung der Strähle des Brennstoff-Rauchgas-Gemisches bezüglich dem von der zentralen (Haupt-)Leitung transportierten Luftstrom; die Vermischung dieser Strähle mit der Flamme, die aus der Verbrennung des von der zentralen Leitung gelieferten Brennstoffs entsteht, geschieht schrittweise und weiter (im Vergleich zu der in dem EP-Patent 675 321 beschriebenen Struktur) stromabwärts von der Nase des Brenners, was die Abstufungswirkung der Einspritzung des Brennstoffs verstärkt.

Die Ansaug- und Antriebswirkung der Rauchgase durch die Brennstoffgassträhle, die von den Umfangsdüsen ausgegeben werden, wird dadurch verbessert, dass das Eintreten der Rauchgase am oberstromigen Ende der Rückführleitungen über deren gesamten Umfang geschieht; eine größere Menge Rauchgase wird somit angesaugt und mit jedem Brennstoffstrahl vermischt.

Außerdem bewirkt der Strahl aus dem Brennstoff-Rauchgas-Gemisch, der aus jeder Umfangsrückführleitung austritt, aufgrund seiner Geschwindigkeit einen zusätzlichen Antrieb für die Rauchgase.

Der Abstand, welcher jede Umfangsbrennstoffdüse von der Eingangsöffnung des zugeordneten Rückführrohres trennt, liegt vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie der Radius oder der Durchmesser des Rückführrohrteilstücks, beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 20 Zentimeter; so erleichtert der freie Raum zwischen der Düse und dem Eingang (oberstromiges Ende) der Rückführleitung das Ansaugen der Rauchgase und die Vermischung des Brennstoffgases mit den in dem Feuerraum vorhandenen Rauchgasen, indem ein Durchgangsquerschnitt für die Rauchgase mit erheblichen größeren Abmessungen begrenzt wird als derjenige, der von der Umfangsöffnung der in der EP-Druckschrift 675 321 beschriebenen Rückführrohre begrenzt ist; außerdem ermöglicht und/oder erleichtert diese Anordnung während der Montage oder der Aufstellung des Brenners die Einstellung dieses Abstandes, was ermöglicht, das Ansaugen, die Vermischung und den Antrieb der Rauchgase durch die Brennstoffgassträhle zu optimieren.

Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass die Kühlung der Rauchgasrückführleitungen durch Übertragung von der zentralen Lufttransportleitung ausreichend ist, um die Zerstörung dieser Leitungen zu vermeiden, obwohl diese Rauchgasleitungen in dem Feuerraum angeordnet sind (und/oder einer intensiven Erhitzung durch die direkte Strahlung der Flamme ausgesetzt sind); vorzugsweise erstreckt sich hierzu die Metallverbindung, die als Wärmedrainrohr dient, über eine große Fläche, insbesondere praktisch über die gesamte Länge der Rückführleitungen; diese Verbindung wird vorzugsweise durch Schweißen erhalten.

In der Tat wird bei dem erfindungsgemäßen Brenner die Kühlung der Rauchgaszirkulationsrohre nicht durch Konvektion mit einem (relativ kühlen) Luftstrom erreicht, wie dies der Fall in dem EP-Patent 675 321 und in der von der Anmelderin am 7. August 1998 eingereichten Patentanmeldung FR 98/10350 ist; tatsächlich sind in dieser Druckschrift Umfangsdüsen zur Lufteinspritzung verschachtelt mit Umfangsdüsen zur Brennstoffeinspritzung angeordnet.

Gemäß weiteren bevorzugten Eigenschaften, die dazu beitragen, die Kompaktheit, die Einfachheit und die Wirksamkeit des Brenners zu verbessern:

• – ist das Verhältnis zwischen der Länge der den Gasausstoßdüsen zugeordneten Rückführleitungen und ihrem Durchmesser größer als 1 und kleiner oder gleich 10, insbesondere näherungsweise 2 bis 4;
• – sind die Umfangsdüsen für den Gasausstoß praktisch versenkt oder wenig vorspringend auf der Innenseite der Wände der Einfassung des Feuerraums angeordnet;
• – springt die Ausgangsöffnung der zentralen Luftleitung in das Innere der Einfassung des Feuerraums vor und sind die vorderen Enden der in der Verlängerung der Brennstoffgasausstoßdüsen angeordneten Rückführleitungen praktisch in der gleichen Ebene wie die Ausgangsöffnung der zentralen Luftleitung angeordnet;
• – sind die den Brennstoffgasausstoßdüsen zugeordneten Rückführrohre auf dem Rohrring der zentralen Luftleitung auf dessen Außenfläche verschweißt.

Die Umfangsdüsen und die zugehörigen Ansaugleitungen sind vorzugsweise identisch ausgebildet, mit gleichem Abstand von der Längsachse des Brenners (d.h. auf einem Kreis) und gemäß einer Umdrehungssymmetrie (d.h. mit gleichem Winkelabstand) angeordnet.

Vorzugsweise liegen die Umfangsdüsen zur Einspritzung des , Brennstoffgases sowie die zugehörigen Rauchgasrohre in einer Anzahl von drei bis zwölf, insbesondere sechs bis acht vor, sind in einem Kranz angeordnet und regelmäßig (winkelig) um die Längsachse (mit allgemeiner Symmetrie) des Brenners verteilt.

Obwohl die Längsachsen der Umfangsdüsen und der zugehörigen Rauchgasleitungen sich konisch divergierend (höchstens 5 Grad) erstrecken können, wird bevorzugt, dass diese Achsen praktisch parallel zu der Längsachse des Brenners liegen.

Gemäß einem weiteren Gedanken besteht die Erfindung aus einem Turbinengasvorwärmer, der einen erfindungsgemäßen Brenner umfasst, welcher in dem Mittelbereich einer Turbinengastransportleitung angebracht ist, die mit Teilverschlussklappen ausgestattet ist.

Bei dieser besonderen Anwendung des erfindungsgemäßen Brenners verhindert die äußere Position der Rauchgaszirkulationsrohre, die Verbrennung des im Mittelbereich ausgegebenen Brennstoffs zu stören.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile werden besser anhand der nachfolgenden Beschreibung verstanden werden, die sich auf die anliegenden Zeichnungen bezieht, welche ohne jeglichen Beschränkungscharakter bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung illustrieren.

In den Zeichnungen tragen die identischen oder ähnlichen Elemente, außer bei gegenteiliger Anzeige, von einer Abbildung zur nächsten die gleichen Bezugszahlen.

1 illustriert in einer Längsschnittansicht einen erfindungsgemäßen Brenner mit flüssigem und gasförmigem Brennstoff.

2 ist eine Vorderansicht des vorderen Endes des Brenners der 1 und ist eine Ansicht gemäß II in der 1.

3 illustriert in einer Längsschnittansicht einen erfindungsgemäßen Turbinenabgasvorwärmer.

Der Brenner 1 (1 und 2) umfasst einen ersten zylindrischen Ring 2 mit horizontaler Längsachse 3 und einen zweiten zylindrischen Ring 4, der koaxial zu dem ersten liegt, und der eine Leitung 5 begrenzt; der Ring 2 begrenzt einen zentralen Luftdurchgangskanal 31, der die Lufteinlassleitung 5 fortsetzt.

Der Brenner erstreckt sich durch eine zylindrische Öffnung 6, die in der Wand 7 vorgesehen ist, welche den Feuerraum 8 von dem äußeren Bereich 9 der Einfassung trennt.

Der Brenner umfasst im Mittelbereich ein zentrales Transportrohr 10 für flüssigen Brennstoff (wie insbesondere schweres Heizöl, Gasöl, Benzin, Öle, Restflüssigkeiten...) bis zum Kopf des Brenners, der mit einer zentralen Düse 11 und einem Flammenstabilisator 12 ausgestattet ist, welche am vorderen Ende der Leitung 31 und des Ringes 2 angeordnet sind und in das Innere des Feuerraumes 8 vorspringen; der Brenner umfasst außerdem ein zentrales Einspritzrohr für gasförmigen Brennstoff 100.

Der Brenner umfasst ein Bündel von sechs Umfangsrohren 13 zum Transport des Brennstoffgases, welche jeweils an ihrem vorderen Ende mit einer Düse 14 versehen sind, welche vorspringend (beispielsweise um 1 Zentimeter vorstehend) auf der Innenseite 15 der Wand 7 angeordnet ist.

Ein Teil der Rohre 13 erstreckt sich parallel zu der Achse 3 im Inneren der Lufttransportleitung 5; die Rohre 13 werden von einem gemeinsamen Sammler 16 gespeist und laufen durch einen ringförmigen Flansch 17, welcher die Ringe 2 und 4 verbindet; wie in 2 illustriert, sind die sechs identischen Brennstoffgasausstoßdüsen 14 in einem Winkel von 60 Grad voneinander beabstandet angeordnet.

Die Längsachsen 20 der Düsen 14, welche parallel zu der Achse 3 liegen, sind auf identischen oder benachbarten Radien angeordnet.

Sechs geradlinige Rohrteilstücke mit kreisförmigem Querschnitt, die an ihren beiden Enden 23, 24 im rechten Winkel abgeschnitten sind, sind in der Verlängerung der Gasausstoßdüsen 14 angeordnet und sind entlang einer ihrer Mantellinien mit einem massiven Metallstab 101 verschweißt, der mit jeder der Leitungen verbunden ist, der sich parallel zu der Leitung 22 erstreckt, und der selbst (über seine gesamte Länge) auf der Außenfläche des vorderen Endbereichs des Ringes 2 entlang dessen Mantellinien verschweißt ist.

Die Achse der Rohre 22 fällt mit der Achse der Düsen 14 zusammen und das hintere Ende 24 der identischen Teilstücke 22 ist mit einem Abstand 25 von der entsprechenden Düse 14 angeordnet, wobei dieser Abstand ungefähr 50 Millimeter beträgt und dem Durchmesser der Rohre 22 entspricht.

Das vordere Ende 23 der Rohre 22 erstreckt sich in der Ebene 112, welche die Ausgangsöffnung der Zentralleitung 31 aufweist.

Unter Bezugnahme auf 3 ist der Brenner 1 in einer Leitung 200 angeordnet, welche eine mit der Achse 3 des Brenners zusammen fallende Achse aufweist, und welche von den Wänden 201 begrenzt ist (in dem Fall, wo mehrere Brenner in der Leitung 200 angeordnet sind, liegen ihre Achsen 3 parallel zu derjenigen der Leitung).

Die Leitung 200 transportiert (gemäß den Pfeilen 103) aus einer Turbine austretendes Gas, dessen Temperatur in der Größenordnung von 500°C liegt oder, wenn die Turbine stillsteht, Lufttemperatur hat; in diesem letzten Fall verschließen Klappen 104, die schwenkbar entlang der Achsen 105 in der Leitung 200 angeordnet sind, teilweise – in der mit durchgezogener Linie dargestellten Position – den Durchgangsquerschnitt der Leitung 200 unter Beibehaltung eines freien Durchgangs – entlang der Pfeile 102 – durch die Leitung 2 des Brenners; die (offene) Position der Klappen, die mit gestrichelten Linien illustriert ist, entspricht dem Fall, wo die Turbinengase vorhanden sind.

Der Brenner ist in der Leitung 200 mit Hilfe nicht dargestellter Träger befestigt.

In den beiden Betriebsfällen wird eine Außenluftmenge (entsprechend 5% der gesamten Luft) durch eine Leitung 106 eingeleitet, um den Mittelbereich des Brenners zu kühlen, wo insbesondere der Stabilisator 105 für die Zentralflammen (Hauptflammen) zur Verbrennung des Gases angeordnet ist, welches über die zentralen Leitungen 100 eingespritzt wird, welche eine Ablenkrosette 104 durchqueren; die Leitungen 100 werden von einem Sammler 107 gespeist.

Außerdem werden die Umfangsleitungen 13 von einem zweiten Sammler 16 mit Brennstoffgas gespeist; der von den Umfangsdüsen eingespritzte Durchsatz an gasförmigem Brennstoff stellt allgemein 90 bis 95% des Gesamtdurchsatzes an Brennstoff dar. Ein Vorteil des Brenners liegt darin, dass die aus den Rohren 22 austretenden Gemischsträhle dazu beitragen, die Flamme länger zu machen, was die Leistung des Gasvorwärmers und der Wärmewiedergewinnungsanlage, welche dem Brenner nachgeschaltet ist, verbessert.