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DE10059440A1 - Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze - Google Patents

Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze

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DE10059440A1
DE10059440A1 DE10059440A DE10059440A DE10059440A1 DE 10059440 A1 DE10059440 A1 DE 10059440A1 DE 10059440 A DE10059440 A DE 10059440A DE 10059440 A DE10059440 A DE 10059440A DE 10059440 A1 DE10059440 A1 DE 10059440A1
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Germany
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oxygen
fuel
mixing chamber
combustion
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Heinz Franke
Horst Koeder
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Air Liquide Deutschland GmbH
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Messer Griesheim GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird in der Mischkammer (8) der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze als Oxidationsmittel eingebrachter Sauerstoff durch die in der Mischkammer (8) bei der Verbrennung von Brennstoff erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560 DEG C erwärmt und mit einer Überschallgeschwindigkeit von mindestens 1,2 Mach in die Verbrennungszone eingedüst. Das erfindungsgemäße thermische Düsenverbrennungsverfahren gewährleistet bei der Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse in der Verbrennungszone durch einen den jeweiligen Prozessbedingungen angepaßten, impulsstromgesteuerten Sauerstoffeintrag bei einem niedrigen spezifischen Sauerstoff-Verbrauch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung.
Ein thermisches Düsenverbrennungsverfahren ist aus der DE 693 14 903 T2 bekannt. Bei diesem Verfahren wird in die als Lanze ausgebildeten thermischen Düse ein Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30% mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 15,2 bis 61 m/s und separat von dem Oxidationsmittel Brennstoff mit einer Geschwindigkeit von mehr als 61 m/s in einen Oxidationsmittelzufuhrkanal eingebracht und in diesem bis zu etwa 20% des Sauerstoffs mit Brennstoff verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte werden mit dem verbleibenden Sauerstoff des Oxidationsmittels innerhalb des Oxidationsmittelzufuhrkanals gemischt und der bis auf 1650°C erwärmte Sauerstoffstrom mit 152 bis 610 m/s durch eine Auslaßdüse in die Verbrennungszone eingedüst. Dieses bekannte thermische Düsenverbrennungsverfahren beschränkt sich auf Sauerstoff-Versorgungssysteme mit niedrigem Quellendruck. Nachteilig ist, daß der Oxidationsmittelzufuhrkanal aufgrund der vorhandenen Impulsstromverhältnisse zwischen Erdgas und Sauerstoff sehr groß dimensioniert werden muß. Daraus resultieren sehr hohe Investkosten. Zudem ist die Haltbarkeit des Oxidationsmittelzufuhrkanals gering, wodurch hohe Betriebskosten für die Instandhaltung entstehen.
In US 5,823,762 ist ein System zur Erzeugung von Gasstrahlen unterschiedlicher Ausbildung beschrieben. Dazu wird als Hauptgas Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid und als gasförmiger Brennstoff Propan, Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe sowie ein sauerstoffhaltiges oder nur aus Sauerstoff bestehendes Oxidationsmittel in unterschiedlichen Mengenströmen/Strömungsgeschwindigkeiten durch getrennt voneinander angeordneten Kanälen in die Düse eingebracht, so dass der in der Düse erzeugte Gasstrahl mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse ausströmt. Aufgrund der hohen Impulsströme, die durch die Schallgeschwindigkeit des Gasstrahles erzeugt werden, kann es in bestimmten Phasen des Produktionsablaufes zu Ablenkungen und Reflexionen kommen, welche die feuerfeste Zustellung bzw. die wassergekühlten Elemente des Ofens zerstören können. Dadurch entstehen hohe Betriebskosten für die Instandsetzung des Ofens und zusätzliche Produktionskosten.
Ein weiteres Verbrennungsverfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes ist durch DE 195 21 518 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels einer Keramikdüse oder einer wassergekühlten Düse ein sauerstoffhaltiger Heißluftstrahl bzw. nur Sauerstoff mit mindestens 500°C und mit mindestens 300 m/s mit oder ohne fossilen Brennstoffzusatz in das in einer Verbrennungszone zu schmelzende Schrotthaufwerk eingetragen. Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren ergibt sich eon großer apparativer Aufwand für die Erzeugung der Heißluft über sogenannte Pebble-Heater verbunden mit hohen Investitionskosten. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Heißwinddüsen einen großen Durchmesser aufweisen. Zum Freihalten der Düsen sind große Schutzgasmengen in Form von Sauerstoff oder Luft erforderlich. Wird Sauerstoff als Schutzgas verwendet, entstehen hohe Betriebskosten. Beim Einsatz von Luft als Schutzgas zum Freihalten der Düsen kommt es neben zu zusätzlichen Kosten für die Regel- und Sicherheitstechnik aufgrund der hohen Luftdurchsätze zu wärmetechnischen Verlusten im Ofen, die einen höheren Energieverbrauch zur Folge haben.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass diese bekannten thermischen Düsenverbrennungsverfahren die gestellten Forderungen in Bezug auf niedrige Betriebskosten für die Schutzgasmengen zum Freihalten der Düsen und hohe thermischen Wirkungsgrade für die Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung nur teilweise erfüllen, also nur in begrenzten Bereichen ökonomisch sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gattungsmäßigen Verbrennungsverfahrens, das durch einen flexibel an die Erfordernisse angepaßten Oxidationsmittel-Eintrag ein im Vergleich zum Stand der Technik ökonomischeres und flexibleres Verfahren ermöglicht. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze anzugeben, welche für ein derartiges Verfahren geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff- Lanze zur Nachverbrennung von unvollständig verbrannten Produkten sind durch die Merkmale von Anspruch 1 und 7 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ein sauerstoffhaltiger Brennstoff, beispielsweise ein fossiler Brennstoff wie Erdgas, durch den axialen Brennstoffkanal über die mit einer konzentrischen Hülse angeordnete Brennstoffdüse mit 15-50 m/s in die Mischkammer zugeführt.
Zur Verbrennung des in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze vorliegenden Brennstoffs strömt der Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch einen den axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über den mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Primärquerschnitt in die Mischkammer ein.
Als Oxidationsmittel zur Verbrennung in der Verbrennungszone wird Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch den einen axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über einen mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Sekundärquerschnitt in die Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze eingebracht.
Der in der Mischkammer vorliegende Brennstoff wird mit dem über den Primärquer­ schnitt eingebrachten Sauerstoff vollständig verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte erwärmen das in der Mischkammer eingebrachte Oxidationsmittel auf mindestens 560°C.
Erfindungsgemäß wird die zur Verbrennung des Brennstoffes benötigte stöchiometrische Sauerstoffmenge, welche 8-24 Vol.-% des gesamten Sauerstoffs entspricht, über den Primärquerschnitt und der als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone einzubringende Sauerstoff durch den Sekundärquerschnitt mit Strömungsgeschwindigkeiten von 70 bis 200 m/s bzw. 95 bis 225 m/s in die Mischkammer eingetragen.
Dazu weist der Sekundärquerschnitt einen mindestens 5,5-fach größeren Wert als der Primärquerschnitt auf.
Das in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze mittels der Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmte Oxidationsmittel wird durch die Austrittsdüse aus der aus Kupfer bestehenden Mischkammer mit Überschallgeschwindigkeit von mindestens 1,2 Mach in die Verbrennungszone eingedüst.
Die Länge der Mischkammer entspricht mindestens dem 2,5-fachen des Durchmessers der Austrittsdüse.
Das impulsstromgesteuerte Eindüsen des Verbrennungs- und Oxidationsmittel- Gemisches in die Verbrennungszone erfolgt analog des in der Patentanmeldung 199 54 556 beschriebenen Verfahrens.
Die mit einer Wasserkühlung versehene Brennstoff/Sauerstoff-Lanze besteht im wesentlichen aus einem Mischkammerbereich aus Kupfer, einem Brennstoff- und Sauerstoffkanal aus Edelstahlrohren.
Das zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung eingesetzte thermische Düsenverbrennungsverfahren gewährleistet eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse in der Verbrennungszone durch den mittels der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze entsprechend den jeweiligen Prozessbedingungen erfolgenden angepassten Sauerstoffeintrag in die Verbrennungszone.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In die schematisch dargestellte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zum impulsstromgesteuerten Eindüsen von Sauerstoff in eine Verbrennungszone wird ein Brennstoff, beispielsweise fossiler Brennstoff wie Erdgas, durch einen axialen Brennstoffkanal 1 über eine von einer Hülse 5 konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse 2 mit 20 bis 80 m3/h und mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15-50 m/s in eine mit einer stirnseitig angeordneten Austrittsdüse 9 ausgerüsteten Mischkammer 8 eingebracht. Der zum Verbrennen des in die Mischkammer 8 eingebrachten Brennstoffs benötigte stöchiometrische Sauerstoff wird über eine Sauerstoffzuführung 3 durch einen den axialen Brennstoffkanal 1 umschließenden Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Primärquerschnitt 6 der Mischkammer 8 zugeführt. Die als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone einzubringende Sauerstoffmenge strömt über die Sauerstoffzuführung 3 durch den Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Sekundärquerschnitt 7 mit 300 bis 900 m3/h und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Mischkammer 8 ein. Der in die Mischkammer 8 als Oxidationsmittel für die Verbrennungszone eingeströmte Sauerstoff wird durch die bei der Verbrennung des Brennstoffs mit dem durch den Primärquerschnitt 6 zugeführten Sauerstoff entstandenen Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmt und strömt durch die stirnseitige Austrittsdüse 9 der Mischkammer 8 mit einer Überschallgeschwindigkeit von mindestens 1,2 Mach in die Verbrennungszone ein. Der Sekundärquerschnitt 7 ist mindestens 5,5-fach größer als der Primärquerschnitt 6. Die Länge der aus Kupfer bestehenden Mischkammer 8 ist mindestens 2,5-fach größer als der Durchmesser ihrer Austrittsdüse 9. Die aus Kupfer und Edelstahl­ rohren bestehende Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ist des Weiteren mit einem die Mischkammer 8 und den Sauerstoffkanal 4 mit dem Primär- und Sekundärquer­ schnitt 6, 7 umschließenden und eine Zu- und Wasserabführung 11, 12 aufweisenden Kühlwassertrakt 10 ausgerüstet.
Die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze wurde in einem Lichtbogenofen, bei einem Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung, erfolgreich erprobt.
Dazu wurden zwei Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen im Bereich des Heißgaskrümmers in der Ofenwand mit einem Neigungswinkel von 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen der Elektrode und der Ofenwand angeordnet, so dass die Hauptabgasströmung mit überlagerter Sauerstoff-Strömungsabdeckung erfasst wird. Die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen wurden in der Anfangsphase des Einschmelzens als Brennstoff/Sauerstoff-Brenner betrieben. Die Verbrennungsleistung je Vorrichtung wurde entsprechend den Schrottverhältnissen zwischen 1,0 bis 1,5 MW vorgegeben. Das Verbrennungsverhältnis wurde in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Ofen zwischen 0,9 und 2,0 eingestellt. Nach Einsturz der Schrottsäule wurde die Erdgaszufuhr reduziert und Sauerstoff- Einblasraten in Anpassung an den Sauerstoffgehalt im Abgas zwischen 5 bis 20 m3/min eingestellt, dieses entspricht einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2 bis 8 m3/tfl. In Schmelzphasen, in denen sich keine unverbrannten Komponenten im Abgas befanden, wurde kein Sauerstoff über die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen geleitet. In diesen Phasen wurden die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen zum Freihalten der Austrittsdüsen 9 mit ca. 30 m3 Erdgas und mit 60 m3 Sauerstoff pro Stunde und Brennstoff/Sauerstoff-Lanze beaufschlagt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollkommender Verbrennung werden Nachverbrennungswirkungsgrade von mindestens 85% erzielt, wobei ein Einsparpotential an elektrischer Energie pro Kubikmeter Sauerstoff von mindestens 4,5 KW erreicht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren bei Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze werden gegenüber den bekannten Verbrennungsverfahren/-lanzen folgende Vorteile erzielt:
  • - zusätzliche Einsparung an elektrischer Energie durch höhere Nachverbrennungsgrade
  • - Einsparung von Schutzgasmengen und damit Senkung der Betriebskosten
  • - Konstante Leistungsdaten des Lichtbogenofens, da die Austrittsdüse des Brenners nicht verunreinigt wird und somit konstante Strömungsverhältnisse während der Ofenreise erreicht werden
  • - Durch Variation des Brennstoffanteiles ist die kinetische Energie des Sauerstoffstrahles dem Prozeßablauf anpaßbar
  • - Erhöhung der Anlagensicherheit, da Verpuffungen und Explosionen im Abgastrakt vermieden werden
  • - Erzeugung hoher Impulsströme bei niedrigen spezifischem Sauerstoff-Verbrauch
  • - Verbesserung des Wärmeüberganges in der Verbrennungszone durch Strahlung, Konvektion und Gasstrahlung (Kohlendioxid und Wasser)
  • - Reduzierung der Power-On Zeiten
  • - Reduzierung des Staubaustrages aus dem Ofen
  • - Verbesserung des metallischen Ausbringens.

Claims (11)

1. Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung in einer Verbrennungszone, bei welchem:
  • a) Brennstoff über einen Brennstoffkanal (1) durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) in eine mit einer stirnseitigen Austrittsdüse (9) versehenen Mischkammer (8) einströmt;
  • b) Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases über eine Sauerstoffzuführung (3) durch einen den axialen Brennstoffkanal (1) umschließenden Sauerstoff­ kanal (4) über einen Primärquerschnitt (6) und
  • c) Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Verbrennung in der Verbrennungszone über die Sauerstoffzuführung (3) durch den Sauerstoffkanal (4) über einen Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) einströmt;
  • d) der gemäß Schritt a) in die Mischkammer (8) eingebrachte Brennstoff mit dem gemäß Schritt b) über den Primärquerschnitt (6) in die Mischkammer (8) eingeströmten Sauerstoff vollständig verbrannt und
  • e) der gemäß Schritt (c) über den Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) eingeströmte Sauerstoff mit den bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukten gemischt und
  • f) das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit Überschallgeschwindigkeit in die Verbrennungszone eingedüst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbrennung des in der Mischkammer (8) vorliegenden Brennstoffs 8-24% der in der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze eingesetzten Sauerstoffmenge durch den Primärquerschnitt (6) in die Mischkammer (8) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch den Sekundärquer­ schnitt (7) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Misch­ kammer (8) einströmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch die Brennstoffdüse (2) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15-50 m/s in die Mischkammer (8) einströmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel in der Mischkammer (8) auf mindestens 560°C erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1, 2 Mach in die Verbrennungszone eingetragen wird.
7. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend im wesentlich aus
  • a) einem axialen Brennstoffkanal (1), welcher durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) mit einer eine stirnseitige Austrittsdüse (9) aufweisenden Mischkammer (8) verbunden ist,
  • b) einem den axialen Brennstoffkanal (1) umschließenden, mit einer Sauerstoff­ zuführung (3) versehenen und durch einen Primär- und Sekundär-Sauerstoff­ querschnitt (6, 7) mit der Mischkammer (8) verbundenen Sauerstoffkanal (4),
  • c) einem den Sauerstoffkanal (4) mit dem Primär- und Sekundärquerschnitt (6, 7) und die Mischkammer (8) umschließenden und mit einer Kühlwasserzu-/- abführung (11, 12) versehenen Kühlwassertrakt (10).
8. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärquerschnitt (7) mindestens 5,5-fach größer ist als der Primärquerschnitt (6).
9. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Mischkammer (8) mindestens 2,5-fach größer ist als der Durchmesser (D) der Austrittsdüse (9).
10. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mindestens eine Austrittsöffnung aufweist.
11. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8) der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
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