DK169633B1 - Brænder til fast og flydende eller gasformigt brændsel - Google Patents

Description

Opfindelsen angår en brænder til at indføre fast og flydende eller gasformigt brændsel i en brændezone i en ovn, for eksempel en roterovn.

5 Sådanne brændere er kendt, for eksempel fra de tyske patentbeskrivelser DE 2905746 og DE 3027587 og kan bestå af et ydre brænderrør, i hvilket der er monteret et centralt rør, som ender i en mundingsdyse til at indføre brændende væskeformigt eller gasformigt brændsel, som for eksempel svær fyringsolie, affaldsprodukter af opløs-1° ningsmidler, smøreolier, naturgas og lignende samt primærluft i en brændezone i en ovn for varmebehandling, såsom sintring, af ovnprodukterne, et koncentrisk rør eller rørsystem, som omgiver det centrale rør, og hvor det eller de koncentriske rør indfører forbrændingsluft som primærluft i brændezonen, og som kan være forsynet med luftdyser til at tilvejebringe en lufthvirvel i brændezonen, og endnu et koncentrisk rør, som omgiver primærlufttilførselsrøret eller -rørene, til at indføre fast brændsel i brændezonen. Den nødvendige forbrændingsluft til en tilstrækkelig forbrænding i brændezonen i ovnen tilvejebringes dels af primærluften, som ind-20 føres i brændezonen gennem selve brænderen, jvf. ovenfor, dels af sekundærluft, såsom brugt kølerluft fra ovnens køler, og som indføres direkte i brændezonen. Primærluften fra sådanne brændere indføres i brændezonen med en høj hastighed, da det er nødvendigt til opretholdelse af en passende størrelse af brænderflammen, at 25 brænderen leverer en ikke ringe impulstilførsel af brændsel og luft pr. tidsenhed.

Fra brænderen udgår på denne måde jetstrømme af brændsel og primærluft, og disse jetstrømme må tillige være tilstrækkelig kraftige til 50 at kunne indsuge hele sekundærluftmængden i brændezonen og til at danne luft/materialerecirkulationszoner i brændezonen for at sikre antændelsen af brændslet.

Denne impulstilførsel pr. tidsenhed er en kombination af samtlige 55 massestrømme (kg/s) ud af brænderen multipliceret med deres respektive udstrømningshastigheder (m/s). Almindeligvis tilføres primær-luften til brændezonen i relativ kold tilstand af blæsere eller kompressorer, som sikrer en tilstrækkelig høj lufthastighed til opnåelse af den ønskede jeteffekt, fordi sådanne blæsere eller 2 kompressorer kunne blive beskadiget, hvis opvarmede gasser og især opvarmede, støvfyldte gasser blev benyttet som primærluft. Opvarmning af primærluft er også hidtil blevet undgået blandt andet på grund af risikoen for tilkoksning eller forudantændelse af brænds-5 let, før dette når frem til brændezonen, eller risiko for at brænderkonstruktionen mister sin mekaniske styrke ved opvarmingen og derved bøjes af sin egen vægt. Brugen af kold primærluft bevirker imidlertid et uønsket varmetab i ovnsystemet som sådant, og der er derfor gjort bestræbelser på at reducere mængden af primærluft (kg/s) til fordel for en tilsvarende forøgelse af mængden af sekundær, forvarmet luft, som indføres i brændezonen. Dette har kun kunnet opnås ved at forøge primærlufthastigheden for at kunne indsuge sekundærluften og på den måde holde den tilførte mængde af primærluft på et minimum, men har til gengæld medført brug af mere *5 kompliceret og mere kostbart, og derfor også mere sårbart og tungt blæserudstyr, som for eksempel kompressorer, i stedet for de normalt foretrukne og mere enkle centri fuga!blæsere.

Det er derfor formålet med opfindelsen at tilvejebringe en brænder-20 konstruktion, der afhjælper de ovenfor nævnte ulemper ved at reducere mængden af primærluft, som tilføres brændezonen i en ovn, uden samtidig at skulle forøge kraftforbruget og dermed lufthastigheden for at opretholde impulstilførslen pr. tidsenhed af primærluft, hvilket ville kræve brug af tungt eller kompliceret blæser og/eller pr kompressorudstyr udover det allerede eksisterende blæserudstyr.

Formålet opnås ved hjælp af en brænder af den i indledningen til krav 1 angivne art, og som har træk, der er omtalt i den kendetegnende del af dette krav.

30

Foretrukne udførelsesformer for brænderen ifølge opfindelsen vil fremgå af kravene 2-5.

Opfindelsen vil herefter blive forklaret mere detaljeret med hen-35 visning til de vedføjede diagrammatiske og ikke begrænsende tegninger, i hvilke figur 1 er et lodret snit langs et diametralt plan af brænderen ifølge opfindelsen, 3 figur 2 er den på figur 1 viste brænder set fra den ende, som vender mod brændezonen, figur 3 viser en anden udførelsesform for opfindelsen, 5 figur 4 er den på figur 3 viste brænder set fra den ende, der vender mod brændezonen, og figur 5 viser princippet for brænderens funktionering.

10 På figur 1 er 1 en brænder, der har et central rør 2 til at tilføre flydende eller gasformigt brændsel til brændezonen 8 på en roterovn. Et koncentrisk rør 3 til at tilføre primærluft til brændezonen 8 omgiver central røret 2. Yderligere et koncentrisk rør 4 omgiver 15 røret 3 og tilfører fast brændsel, for eksempel pulveriseret kul, til brændezonen for i denne at kunne antænde den samlede brændselsmængde og skabe den ønskede flamme og varmevirkning i ovnens sintringszone. Et isolerende lag 7, som kan være et keramisk lag eller et lag af letvægtsfibermateriale, omgiver koncentrisk tilførsels-20 røret 4 for fast brændsel og understøtter langs sin ydre overflade et system af yderligere primærlufttilførselsrør eller -ledninger 5, der tillige virker som en varmeveksler til overførsel af varme udviklet i ovnafsnittet, som omgiver brænderen 1, til primærluften, der transporteres gennem ledningen 5. Med 6 er angivet indstil-25 lelige, ringformede luftdyser til at dirigere primærluft ind i brændezonen på en i sig selv kendt måde.

Isoleringslaget 7 bidrager til at varmeisolere rørsystemet 5, der tillige virker som varmeveksler, fra de øvrige dele af brænderen 1 30 og reducerer derved risiciene for tilkoksning af brændslet i brændsel stil førselsrørerne og for bøjning af brænderen 1. Laget 7 består fortrinsvis af letvægtsfibermateriale fremfor tungere, keramiske materialer for derved at reducere brænderens totalvægt.

35 Materialerne, som benyttes til rørsystemet 5, er fortrinsvis af en varmeresistent type og stærke nok til at tillade, at brændende ovn-produktpartikler kan falde ned oven på ledningerne. Materialerne til rørsystemet kan derfor være af samme art som materialer, der benyttes til fremstilling af rør til dampkedler.

4 Når primærluften passerer gennem rørsystemet 5, der tillige virker som en varmeveksler, vil primærluften ekspandere på grund af varme-virkningen og derved bevirke en forøgelse af lufthastigheden ud af rørsystemet uden at kræve nogen tilsvarende forøgelse af blæserener-5 giforbruget til at frembringe transporten af luften gennem systemet samt tillige en luftimpulsforøgelse uden at skulle bruge ekstra elektrisk energi til blæseren. Af den totale mængde primærluft, som tilføres brændezonen gennem brænderen, tilføres ca. 70% gennem rørsystemet 5.

10 På figur 2 er vist et rørsystem, som består af et antal rørledningsbundter, og i hvilket hvert bundt 5a, b og c består af en fremad-, bagud- og en fremadrettet ledning, og hvor den sidste af disse er forsynet med en dyse 6. Ledningerne er indbyrdes monteret 15 parallelt, er parallelle med aksen på brænderen 1 og er indbyrdes forbundne i serier.

I en anden udførelsesform kan ledningerne 5 parallelt danne en skruegang rundt om brænderen 1, og i endnu en udførelsesform kan 20 rørsystemet bestå af et antal akseparallelt monterede ledninger, som udvendigt er forsynet med tværgående ribber til at forøge ledningernes varmeveksleroverflade.

På figurerne 3 og 4 består rørsystemet, der virker som varmeveksler, 25 af en ringformet ledning 5, der indvendigt er forsynet med et antal ribber 15 monterede i rørvæggen til at styre primærluftstrømmen og til at give en forøget varmevekslerkontaktflade med luftstrømmen. Ledningen tilfører primærluft til et udragende, ringformet kammer 16 monteret på den ende af brænderen 1, som vender mod brændezonen 8. 50 Fra kammeret 16 passerer luften gennem åbninger eller fastindstillede dyser 17 i kammervæggen, som vender mod brændezonen 8, og danner i denne zone umiddelbart efter hver åbning 17 en jetstrøm. Disse jetstrømme føres derved nærmere ud mod ovnvæggen, end det er muligt med brænderen ifølge figur 1, og fremmer derfor varmeforde-55 lingen fra flammen i brændezonen, således som det vil blive forklaret mere detaljeret i forbindelse med figur 5 i det følgende. Fordelene ved opfindelsen ifølge ansøgningen illustreres yderligere i det nedenstående eksempel.

5

Eksempel I en brænder af hidtil kendt konstruktion til en cementroterovn med separat forvarmer udgør primærluften 10,5% af minimumsmængden af 5 forbrændingsluft (Am^n) i ovnen sammen med ca. 2% transportluft til fast, pulverformet brændsel.

For at sikre en stabil dannelse af brænderflammen og et tilfredsstillende klinkerprodukt skal primærluften typisk strømme ud i 10 ovnens brændezone med en hastighed på 110 m/sek., hvilket forudsætter, at pr i mærl uf tblæseren frembringer et tryk på 900 mm VS. Et tryk af denne størrelse frembringes ved hjælp af en almindelig centrifugal blæser. Energiforbruget i primærluftblæseren er proportionalt med produktet af trykket og 1 uftvolumenstrømmen, det vil 15 sige 900 x 10,5 = 9450 W. I et anlæg af en given størrelse kan blæserenergiforbruget derfor andrage op til 9450 W og i et anlæg af den dobbelte størrelse til 18900 W og så videre.

For at kunne reducere mængden af primærluft til 5,0% af Am.n under 20 bibeholdelse af en stabil flamme må primærlufthastigheden forøges til det dobbelte, det vil sige til 230 m/sek. Denne relativt høje lufthastighed kræver et primær!uftblæsertryk på næsten fire gange normaltrykket, det vil sige 3500 mm VS. Et tryk af denne størrelse kan ikke leveres ved hjælp af en centrifugal blæser, og en kompressor ^5 må derfor benyttes med et tilsvarende forøget energiforbrug på 3500 x 5,0 = 17500 W. Prisen for at opnå en besparelse i kalorieforbrug på for eksempel 1,5 kcal/kg klinker for hver sparet procentpoint af primærluft (her 5%), det vil sige ca. 8 kcal/kg klinker, ville følgeligt betyde investering i en mere kostbar kompressor og et 30 fordoblet energiforbrug i denne.

Ved imidlertid at benytte princippet ifølge opfindelsen til at opvarme primærluften til 400eC under dens passage gennem brænderen, og før den strømmer ud i brændezonen, og forudsat at primærluften 35 tilføres brænderen ved en temperatur på 50°C ved hjælp af luftkompressionen i blæseren, vil primærluftens vægtfylde blive formindsket 3 3 fra 1,5 kg/m helt ned til 0,6 kg/m samtidig med, at en høj hastighed på 230 m/sek. af den udstrømmende luft i brændezonen kan opretholdes ved en trykydelse i blæseren, der ikke er større end 6 0,6/1,5 x 3500 mm VS = 1400 mm VS, hvilken ydelse ligger inden for, hvad der er opnåeligt fra en centri fuga! blæser af gængs type. Kraftforbruget vil således falde helt ned til 1400 x 5,0 = 7000 W samtidig med, at man får en kaloriebesparelse på 8 kcal pr. kg 5 klinker.

I ovenstående eksempel er det forudsat, at blæserens virkningsgrader er de samme i· alle situationer, men da det for flere blæsertyper gælder, at virkningsgraden bliver lavere, desto højere blæsertrykket 10 er, vil det være indlysende, at det er mere fordelagtigt at benytte et tryk på 1400 mm VS i stedet for 3500 mm VS, hvorved man også bliver i stand til at benytte en mindre kostbar blæser.

Udover den ovenfor omtalte reduktion af kraftforbruget til primær-15 luftblæseren og forøgelsen af varmeøkonomien i ovnanlægget bidrager brænderen yderligere til en N0x-reduktion i ovnen.

Som vist diagrammatisk på figur 5 tilføres primærluft til brændezonen 8 i en roterovn 10, gennem hvilken varmebehandlede materialer 20 passerer i den med pilen 9 viste retning, og danner ved hvert luftudløb 6 små jetstrømme som vist ved punkterede linjer 15. Disse små, separate jetstrømme bevirker hver en recirkulation 14 af uforbrændte forbrændingspartikler i zonen 8 på grund af mangel på NO^ mellem jetstrømmene. Først når bevægelsesretningen for forbrændingspar-25 tiklerne er vendt endnu en gang i fremadgående retning 13, vil partiklerne gradvist møde tilstrækkelig forbrændingsluft til en fuldstændig forbrænding, der derfor finder sted i et område N-P i brændezonen 8. Flammen får derved form som en hul keglestub, som vist diagrammatisk med stiplede linjer 11 og med næsten ingen 30 forbrænding i den “hule" del og med en væsentlig del af forbrændingen findende sted nær "varmeforbrugeren", det vil sige de varmebehandl ede materialer og ovnvæggen. I sammenligning med en flamme, som er koncentreret nær ovnens midterakse, har denne hule keglestubformede flamme en lavere temperatur og giver alligevel den samme ^5 varmeoverførsel til de varmebehandlede materialer. Den lavere temperatur er resultatet af luft/brændselsblandingsmønsteret, og trods denne lavere temperatur bliver den samme varmeoverførsel muliggjort ved styringen af flammen tæt ud mod den indre ovnvæg. Da man undgår ekstremt høje temperaturer samt benytter en 7 standardblanding af brændsel og luft, bliver tillige N0-produktionshastigheden reduceret med omkring 20% for hovedparten af de benyttede brændsler.

5 Det bemærkes, at med udførelsesformen for opfindelsen ifølge figurerne 3 og 4 opnås en bedre varmefordeling end med brænderen ifølge figurerne 1 og 2 gennem styringen af den hule, keglestubformede flamme nærmere mod ovnvæggen, hvilket tillige giver en højere grad af flammestabilitet i brændezonen.

10 15 20 25 30 35

Claims (4)

8

1. Brænder til at indføre fast og flydende eller gasformigt brændsel i en brændezone på en ovn, for eksempel en roterovn, og 5 hvor brænderen (1) består af et ydre rør eller en kappe, inden i hvilken der er anbragt et centralt brændselstilførselsrør (2) til flydende og/eller gasformigt brændsel, et koncentrisk rør eller et ringformigt monteret system af rør (3) til at tilføre forbrændingsluft i form af primærluft til brændezonen (8), og som omgiver 10 centralrøret (2), og hvor det/de koncentriske rør (3) kan indbefatte midler (6) til at tilvejebringe en hvirvel i og/eller en radial komponent af lufthastigheden i brændezonen, et på samme måde koncentrisk udformet rør (4), som omgiver røret/rørene (3), og som pneumatisk tilfører fast brændsel til brændezonen (8), og anbragt udven-I1 digt på røret (4) og omgivende dette endnu et rørsystem (5) til at tilføre en mængde af forbrændingsluft til brændezonen, kendetegnet ved, at rørsystemet (5) består af et antal ledningsbundter (5a, 5b, 5c), hvor hvert bundt har fremad- og bagudrettede, parallelle ledninger, der indbyrdes er forbundne i serier, og som er 20 monterede parallelt med aksen på brænderen (1), og hvor hvert bundt er forsynet med en luftdyse ved den ende, som vender mod brændezonen (8), og ved at rørsystemet (5) er adskilt fra røret (4) ved hjælp af et isolerende lag (7).

2. Brænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rørsy stemet (5) består af et antal indbyrdes parallelle ledninger, der efter en gevindform omgiver røret (4), og hvor hver ledning (5) ender i en luftdyse vendende mod brændezonen (8).

3. Brænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rørsy stemet (5) består af et antal akseparallelt monterede ledninger, som hver udvendigt er forsynede med et antal tværgående monterede radiatorribber.

4. Brænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rørsy stemet (5) består af et ringformet rør, som indvendigt er forsynet med et antal tværgående eller parallelt monterede radiatorribber. Brænder ifølge krav 5, kendetegnet ved, at 5 9 rørsystemet (5) ender i et udragende ringformet kammer (16) forsynet med et antal åbninger (17) i den kammervæg, som vender mod brændezonen. 15 20 25 30 35