METHOD OF OPERATING AN INJECTOR BURNER

Abstract: 1. Method of operating an injector burner having a Coanda jet, wherein a propellant fluid is fed under pressure through slots of the jet and a suction fluid is sucked through the propellant fluid with gas as the propellant fluid, characterised in that the suction fluid employed is combustion air, that in the region of the outlet from the Coanda jet a small portion of the gas mixture stream is split off and decelerated, that said portion is ignited and accelerated once more by the main stream, which it encloses as a flame enveloppe, and that after deceleration of the main stream of the gas mixture by the atmosphere, said main stream is ignited by the flame envelope in an region remote from the jet outlet.

Description: Verwendung und Verfahren für die Verwendung einer COANDA-Düse als Brenner für Industrieöfen aller Art Die Erfindung geht aus von der Verwendung einer COANDA-Düse als Brenner für Industrieöfen nach der Gattung des Hauptanspruchs. In der ERDGAS-INFORMATION der Ruhrgas AG in Essen vom Dezember 1981 sind mehrere Industriebrenner mit Erdgasdüsen bekannt, die eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen, durch die das Erdgas hindurchgeleitet wird und in feine Strahlen aufgeteilt wird. Die Verbrennungsluft wird in den meisten Fällen über Hochdruckventilatoren dem Brenner zugeführt. In einem Mischgehäuse werden die in feine Strahlen aufgeteilten Gassträhnen mit der Verbrennungsluft gemischt und in einen Brennerstein gedrückt, in dem die Zündung erfolgt. Der Brenner gibt dann die Flamme oder das so erzeugte Heizgas in einen Industrieofen oder eine Feuerung ab. In den meisten Fällen wird mit Kaltluft als Verbrennungsluft gearbeitet, es wird aber auch vorgeschlagen, die Verbrennungsluft bis höchstens 4000C aufzuheizen, wobei bei Temperaturen oberhalb dieser Grenze das Gas unter Ausscheidung von Kohlenstoff zu zerfallen beginnt. Aus der Veröffentlichung "Eine revolutionäre Technik der Atmosphärenumwälzung von Öfen und statischen Trocknern durch den COANDA-Effekt" in "DIE ZIEGELINDUSTRIE" Heft 19/20, 1967, Seite 633 ff ist eine COANDA-Düse bekannt, durch die die Luft zur besseren Durchmischung der Ofenatmosphäre, zum Beispiel in einem Tunnelofen, umgewälzt wird. Weiterhin wird vorgeschlagen, die COANDA-Düse nicht nur in Verbindung mit einer reinen Umwälz- vorrichtung zu benutzen, sondern auch mit Wärmezuführung verbunden einzusetzen. Dazu wird ein Heizöl in die Ausströmseite der COANDA-Düse eingespritzt, wodurch die Gastemperatur erhöht wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner für Industrieöfen zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und der bei gleicher Leistung weniger Energie verbraucht als bisher bekannte Brenner, wobei die Zuführung des Gases auch mit sehr hoher Geschwindigkeit möglich sein soll. ¯t Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Verwendung einer COANDA-DUse gelöst, wobei als Treibfluid das von den Versorgungswerken mit hoher kinetischer Energie angelieferte Erdgas dient. Dadurch entfallen komplizierte Regelvorrichtungen, da bei der Verwendung von Brennern nach dem Stand der Technik das unter hohem Druck angelieferte Erdgas auf Drücke zwischen 100 und 200 mm WS heruntergeregelt werden muss, um es dann mit einem gleichstarken Druckluftventilator dem Brennraum zuzuführen. Weiterhin ist der erfindungsgemässe Brenner sehr viel einfacher als die bisher bekannten, da das Erdgas nicht in feine Gassträhnen aufgeteilt werden muss. In der COANDA-DUse wird das zugeführte Erdgas durch Düsenschlitze in Form eines dünnen Hohlzylinders fein verteilt, wobei durch diesen Gaszylinder Verbrennungsluft angesaugt wird, und zwar genau die Luftmenge, die für eine stöchiometrische Verbrennung notwendig ist. Damit entfallen Transport- und Verteilungseinrichtungen für die Verbrennungsluft. Weiterhin wird durch die besondere Form der COANDA Düse bei der Reaktion zwischen Erdgas und Verbrennungsluft ein grosser Schub auf die Umgebungsluft abgegeben, wodurch die Umwälzung der Ofenatmosphäre für eine Temperaturvergleichmässigung verbessert wird. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die angesaugte Verbrennungsluft möglichst heiss sein kann, da keine aufwendigen und hitzebeständigen Einrichtungen zur Förderung der heissen Luft notwendig sind. Durch Zugabe von Wasserdampf oder Wassernebel oder H2, O2-Gas zu dem Erdgas werden Verkokungen vermieden. Durch Abspaltung und Abbremsen von Gas-Luftstrahlen aus dem Hauptstrahl des Brenners kann dieser "beruhigte" Teil gezündet werden, der dann in entsprechender Entfernung vom Brenner den Bauptstrahl zündet. Dadurch ist ein Gasaustritt auch im Schall- und Uberschallbereich möglich. Dadurch, dass die Brenngase unter Zuführung von Sauerstoff dem Brenner wieder zugeleitet werden, entstehen keine nach aussen gelangenden schädlichen Abgase. Die Erfindung soll in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden, wobei:die in der einzigen Figur Prinzipdarstellung der Flamme am Brenneraustritt mit herangezogen wird. Die bei dem erfindungsgemässen Brenner verwendete COANDA-Düse kann trichterförmig aufgebaut sein, wobei die eine öffnung des Trichters völlig frei ist und zum Ansaugen des zu fördernden Fluids dient. In der Nähe der Eintrittsöffnung für das Sogfluid ist ein Ringspalt vorgesehen, dessen Austrittsquerschnitt zwischen 0,5 mm und 0,015 mm liegt. Durch diesen Ringspalt wird das Treibfluid geleitet und tritt mit grosser Gtschwindigkeit in den Ansaugraum aus und reisst an der Grenzfläche das Sogfluid mit. Bei der vorliegenden Erfindung wird das mit hoher kinetischer Energie angelieferte Erdgas als Treibfluid verwendet, das heisst, das Erdgas wird durch den Ringspalt geleitet. Nach Austritt aus dem Ringspalt bildet das Erdgas einen vorwärtsstrebenden dünnen Hohlzylinder, der in seiner Mitte die über die gesamte Trichterfläche eintretende Verbrennungsluft mit sich reisst. Durch die Ausbildung als Hohlzylinder ergibt sich bei der Ansaugung der Verbrennungsluft eine grosse Reaktionsfläche zwischen Erdgas und Ver brennungsluft. Dieses Reaktionsgemisch wird am Aus gang der COANDA-Düse mit Hilfe einer Zündkerze, eines katalytischen Zünders oder anderen Zündeinrichtungen gezündet, wobei die Verbrennung und die weitere Verarbeitung in bekannter Weise geschieht. Durch Xnderung der Querschnitte des Ringspaltes und der Ansaugöffnungen können die Durchsatzvolumina geändert werden. Durch die Verwendung von vorgeheizter Verbrennungsluft kann die Energiebilanz eines Industrieofens stark verbessert werden, insbesondere da bei der Verwendung der COANDA-Düse keine zusätzlichen Einrichtungen für die Bewegung von sehr heisser Luft, wie zum Beispiel Ventilatoren, notwendig sind. Oberhalb von 400 C tritt aber bei normalen Verhältnissen eine Verkokung des Erdgases ein, so dass zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden müssen. Dazu wird H20, vorzugsweise in Dampfoder Nebelform, der Erdgaszuführungsleitung zugesetzt. Der Dampf oder Wassernebel gelangt dann mit dem Erdgasgemisch in den Brenner und baut hier entstehende oder entstandene Kohlenstoffablagerungen sofort ab, indem das Wasser dissoziiert in H2 und 02-Ionen, wodurch gleichzeitig die Brennerdüse gekühlt wird, da es sich um'einen endothermen Vorgang handelt. Als zusätzliche Apparaturen sind eine Quelle für die Erzeugung von destilliertem Wasser, eine Pumpe und eine Verdampfungs- oder Verdüsungseinrichtung vorzusehen. Es empfiehlt sich, den Wasserdampf beziehungsweise Wassernebel kurz vor der Brennerdüse zuzugeben, da hier der notwendige Druckabfall während des Gasantrittes in die COANDA Düse eine unnötige hohe Dampf spannung vermeidet. Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung der Kohlenstoffablagerungen kann in der Zugabe von Knallgas, welches über eine elektrolytische Apparatur erzeugt wird, bestehen. Dabei ist es sinnvoll, H2 und O2 getrennt dem Erdgas zuzusetzen, um elektrische Aufladungen während des Zuführens zu vermeiden, was zur Zündung des Knallgases führen könnte. Nachdem das Knallgas dem Erdgas zugeführt worden ist, besteht keine Explosionsgefahr mehr, da durch die Zumischung des Erdgases der Sauerstoffgehalt des gesamten Gasgemisches nicht mehr zur Auslösung einer Explosion ausreicht. Diese eben beschriebenen Vorkehrungen verhindern nicht nur die Venkokung des Erdgases, sondern fördern auch die Zündwilligkeit des Gases. Die Menge der Zugabe an Wasserdampf beziehungsweise Wassernebel oder Knallgas ist abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Erdgases, von der Xischgaseigenschatt und der Art der Lufterhitzung. Die Berücksichtigung dieser Fakten liegt aber im Rahmen des Könnens des Durchschnittsfachmanns, so dass keine genaueren Angaben gemacht werden müssen. Wenn das Erdgas mit sehr hohen Geschwindigkeiten, die im Schall- und Uberschallbereich liegen, angeliefert wird bzw. wenn das Gasgemisch mit diesen Geschwindigkeiten aus der COANDA-Düse austritt, ist eine einwandfreie Zündung des Gasgemisches nicht mehr gewährleistet. Daher wird, wie in der einzigen Figur dargestellt, am Austritt der COANDA-DUse 1 ein kleiner Teil des Gasgemischstromes, der durch einen Pfeil 2 angedeutet ist, abgespalten. Dies wird dadurch realisiert, dass in der Düse Schlitze 3 vorgesehen sind, durch die ein kleiner Teil des Gasgemischstromes heraustritt. Durch diesen Vorgang wird die Geschwindigkeit dieses Teils des Gasgemischstromes verringert, wodurch die Zünd- willigkeit erhöht wird. Die Zündung des abgetrennten Gasgemisches kann über eine Zündfiamme, eine elektrische Zündung oder durch katalytische Zünder erfolgen. In der Figur ist eine Zündung über Zündflammen dargestellt. Dazu ist um Oie COANDA-Düse herum als Ummantelung um die COANDA-Düse 1 ein Ringzylinder 4 vorgesehen, dem ein fremdes Gasgemisch oder ein Teil des in der COANDA-Düse 1 verwendeten Gasgemisches zugeführt wird. Dieses Gasgemisch wird durch eine im vorderen Bereich des Ringzylinders 4 angeordnete Düse 5 geleitet und gezündet, wobei die ZIindflanrme mit 6 bezeichnet ist. Aus der COANDA-Düse 1 tritt der Haupt strom 7 des Gasgemisches mit sehr hoher Geschwindigkeit aus und beschleunigt den abgespaltenen und gezündeten Teil des Gasgemisches, der tden Hauptstrom 7 als Flammenmantel 8 umgibt. In der Atmosphäre wird der Hauptstrom des Gasgemisches abgebremst und der Flammenmantel 8 zündet den Hauptstrom 7 in einem von der Düse 1 entfernten Bereich. Dabei ist die Entfernung zwischen der Zündung des Haupt stromes . und der COANDA-DUse 1 abhängig von der Austrittsgeschwindigkeit des Hauptstromes 7 und der Rückzündgeschwindigkeit der Hauptflamme 9. Der als COANDA-Düse ausgebildete Brenner, insbesondere auch der Brenner für sehr hohe Austrittsgeschwindigkeiten des Gasgemisches, wird in Industrieofen, Kesselanlagen und Trocknern sowie in allen Arten von Wärmeverbrauchern verwendet, wobei diese Einrichtungen derart ausgebildet sein können, dass die Brenngase nicht als Abgase nach aussen gelangen. Vielmehr werden diese Brenngase dem als COANDA-DUse ausgebildeten Brenner wieder zugeführt, wobei aber für die Verwendung als Verbrennungsluft Sauerstoff zugeleitet werden muss. Dazu ist der COANDA-Düse eine weitere Düse vorgeschaltet, der einerseits die bei der Verbrennung auftretenden Abgase und andererseits von aussen her Sauerstoff beziehungsweise ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch zugeführt wird. Der Sauerstoffanteil in der dem Brenner zugeführten Ver- brennungsluft" soll mindestens 23 % betragen.

Claims: Patentansprüche 1. Verwendung einer Coanda-Düse, bei der ein Treibfluid mit hohem Druck durch Düsenschlitze zugeführt wird und ein Sogfluid durch das Treibfluid angesaugt wird, als Brenner für Industrieöfen mit der Massgabe, dass als Treib fluid mit hoher kinetischer Energie ange liefertes Erdgas und als Sogfluid Verbrennungs luft verwendet wird, wobei das Gesamtgemisch mittels Zündfiammen, elektrischer Zündung oder katalytischer Zünder gezündet wird. 2. Verfahren für die Verwendung gemäss Paten;t- anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ver 0 brennungsluft mit mehr als 400 C angesaugt wird, wobei de Erdgas Wasserdampf oder Wasser nebel zugesetzt wird. 3. Verfahren für die Verwendung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsluft mit mehr als 4000C angesaugt wird, wobei dem Erdgas H2 und/oder 02 zugesetzt wird. 4. Verfahren für die Verwendung einer Coanda-Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Austrittsbereich aus der Coanda-Düsre;:ein kleiner Teil des Gasgemischstromes abgespalten und abgebremst wird, dass dieser Teil gezündet und durch den Hauptstrom, diesen als Flammen mantel umgebend, wieder beschleunigt wird und dass nach Abbremsen des Hauptstromes des Gas gemisches durch die Atmosphäre dieser durch den Flammenmantel in einem vom Düsenaustritt entfernten Bereich gezündet wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass das Abspalten des kleinen Teils des Gasgemischstromes nach dem By-pass Prinzip erfolgt. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Trockner, Kammer- oder Tunnelofen durch den Brenner verbrannten Brenngase diesem unter Zuführung eines 02 beinhaltenden Gasgemisches als Verbrennungsluft wieder zugeleitet werden. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass der 02-Anteil mindestens 23% beträgt.

Inventors: GATZKE, HORST, DR. ING.
Applicants: GATZKE, HORST, DR. ING.
Application year: 1983
Main classification: F23D14
IPC codes: F23L7, F23D14