Mönchengladbach, 21. April 2018

Innovation in der Ofentechnologie

  • Strenge Umweltvorschriften fordern innovative Lösungen, um die durch Öfen verursachte Verschmutzung abzusenken. Unter dem Markennamen SMS-ZeroFlame vertreibt die SMS group deshalb emissionsarme Brenner.
  • Mit dem ZeroFlame-Brenner erhalten Ofenbetreiber ein wirksames „Werkzeug“, das ihnen ermöglicht, ihren Verbrennungsprozesses mit enormer Flexibilität und hervorragender Leistung handzuhaben.

Für die Rohr- und Drahtindustrie hat die SMS group ein breites Spektrum an Aufheizöfen und Wärmebehandlungsöfen im Angebot. Im Portfolio enthalten sind Stoßöfen für kleine Knüppel und große Hubbalkenöfen für die Erwärmung von großformatigen Vorblöcken und Brammen. Außerdem liefert die SMS group eine große Vielfalt an Drehherdöfen für Nahtlosrohrwalzwerke oder Schmiedebetriebe und bietet im Bereich Verbrennungstechnologie ein umfangreiches Knowhow an. Die meisten dieser Öfen arbeiten mit Direktflammenbrennern mit einer typischen Leistung von 500 bis 3.000 kW.

Angesichts immer strengerer Umweltvorschriften und der wachsenden Notwendigkeit, die Umwelt zu schützen, sucht die SMS group kontinuierlich nach innovativen Lösungen, um die durch ihre Öfen verursachte Verschmutzung abzusenken.

Eine der Bemühungen in diese Richtung ist die Konstruktion und Prototypenherstellung, das Testen und Patentieren eines bemerkenswerten, neuen und emissionsarmen Brenners, der jetzt unter dem Markennamen SMS-ZeroFlame vertrieben wird. Dieser Brenner tritt in die Fußstapfen einer umfangreichen Auswahl von flammenlosen Brennern, die seit 20 Jahren auf dem Markt verfügbar ist, jedoch übertrifft er mit seinen beispiellosen Eigenschaften deutlich die Leistungen sämtlicher Vorgänger.

Die flammenlose Verbrennung tritt dann auf, wenn Brennstoff und Verbrennungsstrahl sich unter folgenden Bedingungen vermischen (auch als Erdgasverbrennung bezeichnet):

  • Die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsstrahl liegt unter 13 Volumenprozent.
  • Die Temperatur des Strahlgemischs liegt über 670 Grad Celsius.

Eine Verdünnung des Sauerstoffs im Luftstrahl findet durch „Mitnahme” statt. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem sich ein freier Strahl in einer Gasmenge entwickelt: Der Freistrahl saugt durch einen Impulsaustausch mit Stillgas Partikel aus dem externen Gas ab. Den Gesamtmitnahmeprozess bezeichnet man als Kreislauf.

Sowohl Theorie als auch Praxis zeigen, dass ein effektiver Kreislauf vom Durchmesser der Strahldüse abhängt, sobald die Temperatur der beiden Gase (des Strahlgases und des Verbrennungs-/Rauchgases in der Ofenkammer) eingestellt ist.
Strahllose Brenner haben jedoch einige Einschränkungen, zum Beispiel:

  • Die Leistung des Brenners ist nach oben begrenzt.
  • Die vom Brenner produzierten Flammen sind sehr lang.
  • Der Arbeitsbereich des Brenners ist eingeschränkt.
Der SMS-Zeroflame-Brenner

Der SMS-ZeroFlame-Brenner wurde speziell dafür entwickelt, die Grenzen der bisher auf dem Markt erhältlichen flammenlosen Brenner zu überwinden und bietet folgende Leistungen:

  • Stabile, NOx-arme Flamme bei niedriger Ofentemperatur.
  • Flammenloser Zustand mit ultraniedrigen NOx-Emissionen bei Ofentemperaturen über 750 Grad Celsius.
  • Booster-Funktion: erhöht die Leistung, aber nicht die Flammenlänge, hält die NOx-Emissionen niedrig.
  • Modulation der Flammenlänge: begrenzt die Flammenlänge bei jeder Leistung, hält die NOx-Emissionen niedrig.
  • Vergrößert den Arbeitsbereich. 

Das Ergebnis zeigt sich bei der Integration zweier unterschiedlicher Flammen (siehe Abbildung unten) mit den Eigenschaften:

  • Innenflamme, herumwirbelnd, sichtbar und stabil, erzeugt unter stöchiometrischen Bedingungen.
  • Außenflamme, über-stöchiometrisch, unsichtbar und abgeschwächt.

Durch die Verwirbelung ist die Innenflamme kürzer als die äußere. Selbst bei gleicher Leistung wird die Gesamtlänge der Flammen ausschließlich durch den flammenlosen Zustand bestimmt. Die flammenlose Ausführung von SMS-ZeroFlame erlaubt die Integration beider Flammen mit ihren unterschiedlichen Charakteristika ohne Veränderung der NOx-Gesamtproduktion.

Aufgrund dieser Besonderheit kann der Brenner einen Overboost generieren, ohne die Flammenlänge zu vergrößern, indem die Innenflamme dem flammenlosen Arbeitsmodus zugeschaltet wird. Die Flexibilität des Brenners erlaubt eine präzisere Steuerung als ein üblicher flammenloser Brenner mit einem begrenzten Arbeitsbereich.

Eine weitere Innovation des SMS-ZeroFlame-Brenners für die Kunden ist die Möglichkeit, die Flammenlänge zu steuern. Das erlaubt die Installation von großen Brennern selbst in kleinen Ofenkammern und bringt so mehr Leistung ohne die Flammenlänge zu vergrößern. Durch die richtige Modulation der Verbrennungsluft und die präzise Brennstoffverteilung auf die beiden Unterbrenner kann die Flammenlänge bei gleicher Leistung modifiziert und gesteuert werden. In der Vergangenheit wurde dies mithilfe von Doppelluftbrennern erreicht, doch dabei produzierte die kurze Flamme, die von stark wirbelnder Außenluft erzeugt wurde, sehr hohe NOx-Emissionen, da unabhängig von der jeweiligen Konfiguration immer eine stabile Flamme erzeugt wurde.

Der Regelbereich kann bis auf 25 Prozent der verfügbaren Gesamtleistung heruntergefahren werden, indem man die Verteilung der Flammen beeinflusst, wobei stets der flammenlose Zustand bevorzugt wird, um NOx-Emissionen zu minimieren.

Kurz gesagt, mit dem neuen ZeroFlame-Brenner liefert die SMS group den Ofenbetreibern ein wirksames „Werkzeug“, das ihnen ermöglicht, ihren Verbrennungsprozesses mit enormer Flexibilität und hervorragender Leistung handzuhaben.

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Verbesserung der Leistungssteuerung durch SMS-Zero Flame
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Integration beider Flammen im ZeroFlame-Brenner
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Wirkung des Primärluftanteils auf NOx-Emissionen im Flammenmodus.