DD158936A5

DD158936A5 - Verfahren und vorrichtung zur beheizung eines industriellen ofen

Info

Publication number: DD158936A5
Application number: DD81229151A
Authority: DD
Inventors: John E Anderson
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1983-02-09
Also published as: NO155116B; PT72826B; YU213883A; IL62568A0; EP0038257B2; HU190672B; KR850000951B1; NO811218L; PL230562A1; YU43915B; NO155116C; AU6934181A; ATE9398T1; EP0038257B1; DK161381A; ES501168A0; US4378205A; ZA812234B; EP0038257A1; GR75592B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feuerung eines industriellen Ofens unter Verwendung von Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft als Oxydationsgas und ist gekennzeichnet durch das Einspritzen einer Vielzahl von Oxydationsgasstrahlen in den Ofen durch Duesen in einem raeumlich abgestimmten Verhaeltnis zu einem Brennstoffstrahl bei einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, Ofengase in die Oxydationsgasstrahle einzusaugen, bevor letztere sich mit dem Brennstoffstrahl vermischen, in ausreichenden Mengen zur Erniedrigung der Flammentemperatur.

Description

.//HIh! /

_/ — 28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7 59 090 12

Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung eines industriellen Ofens

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feuerung eines industriellen Ofens mit zumindest einer entweder nicht zur Atmosphäre offenen oder im wesentlichen davon abgeschirmten Verbrennungszone, z. B* durch einen Unterdruck, und die üblicherweise zur Erhitzung von solchen Stoffen wie Metalle (z. B. ein Rohr-Zwischenüberhitzerofen, ein Tiefofen oder ein AluminiumschmeIzofen), Glas usw., insbesondere betrifft die Erfindung ein Ofenfeuerungsverfahren und eine Vorrichtung dazu, die mit Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft als Oxydationsgas anstelle von Luft arbeiten·

Bekannte technische Lösungen

Es ist üblich, in industriellen Ofen des oben genannten Typs Luft als Oxydationsgas einzusetzen. Es ist weiterhin bekannt, daß die Sauerstoffanreicherung des Oxydationsgases für die Verbrennung durch Einsatz von Sauerstoff für einen Teil oder die gesamte Luft die Brennstoffmengen dafür verringern kann und den Wirkungsgrad industrieller Ofen verbessern kann. Wenn Sauerstoff anstelle von Luft für die Verbrennung eingesetzt wird, ist der Stickstoffanteil sowohl im Oxydationsgas als auch im Abgas entsprechend geringer, wodurch sich das jeweilige Gesamtvolumen pro Einheit von verbranntem Brennstoff verringert und sich die Sauerstoffkonzentration des Oxydationsmittel-Brennstoff-Gernisches erhöht- Diese Veränderungen sind Ursache für die folgenden prinzipiellen Vorteile:

9 15 1 7

2B.1.1982

AP Έ 27 B / 229 151/7

59 090 12

1. Ansteigen der maximal erreichbaren Peuerungsführung für die Brenner eines gegebenen Ofens und damit Verbesserung der Produktionsrate (Wirkungsgrad). Mit Luft als Oxydationsmittel kann die Peuerungsführung dadurch begrenzt sein, daß a) die Luft dem Brenner durch die vorhandenen Lüftungskanäle und Gebläse zugeführt wird,

b) das Volunren der Verbrennungsprodukte durch den Abzugskanal vorgegeben ist und c) der Brenner nur eine bestimmte Peuerungsführung toleriert, bevor Probleme mit der Verbrennungsstabilität und unvollständiger Verbrennung auftreten. Mit einem Ansteigen der Sauerstoffmenge und damit geringeren Oxydations- und Abgasvolumina werden die ersten beiden Nachteile überwunden, während der dritte !Nachteil durch das niedrigere Oxydationsmittelvolumen und die höhere Sauerstoffkonzentration beseitigt v/erden kann»

2. Verringerung des Brennstoffverbrauchs. Kit Luft als Oxydationsmittel ist die hohe Stickstoffkonzentration der Luft oft Ursache der fühlbaren Wärmeverluste im Abgas. Bei Sauerstoffanreicherung viird der Stickstoffgehalt des Abgases reduziert, und der wärmeinhalt des Abgases steigt an durch v/eniger fühlbare 7/ärmeverluste bei vergleichbaren Gasaustrittstemperaturen. Die Gesamt-Brennstoff einsparung pro Prοduktionseinheit kann sehr bedeutsam sein.

3· Verringerung von Umweltproblemen durch Schv/ebstoffe wegen des geringeren Abgasvolumens. Die Gasreinigung von allen Schadstoffen wird v/eniger kostspielig und effektiver durch ein geringeres Abgasvolumen pro Einheit verbranntem Brennstoff.

- 3 - 22915 1 7

28.1.1982

A? F 27 B / 229 151/7

59 090 12

Die geschilderten Vorteile erhöhen sich mit dem Grad der Sauerstoffanreicherung. Daher wird eine wesentliche Sauerstoff anreicherung sowie der Einsatz von reinem Sauerstoff in der Technik als wünschenswert angesehen. Sine solche Verfahrensweise hat sich jedoch in der Technik bisher nicht durchsetzen können, weil dem folgende Nachteile entgegenstanden:

1. Hohe Flammentemperaturen. Die Flammentemperatur erhöht sich merklich bei Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Oxydationsgas. Das ist tinerwünscht, weil dadurch a) eine zu hohe Wärmeübertragung auf kleinem Raum rund um die Flamme erforderlich wird, was zu örtlichen Überhitzungen (hot spots) führen kann und damit zu Schäden an der Ofenausmauerung und/oder am Beschickungsgut, und b) höhere Stickoxid(UTO )- Emissionen auftreten können, da die Kinetik und das Gleichgewicht der HC^-BiIdung wesentlich durch höhere Temperaturen begünstigt wird· Der Einsatz von reinem Sauerstoff als Oxydationsgas löst auch nicht das zweite Problem der Anwesenheit von Stickstoff, da letzterer im allgemeinen stets im Ofen gegenwärtig ist, infolge von nicht luftdicht abgeschlossenen Stellen" (die im allgemeinen unvermeidbar sind gerade in geschlossenen Ofen und insbesondere bei industrieller Verfahrensführung) oder durch den Brennstoff, wodurch Stickstoffoxide in für die Umwelt nicht zu akzeptierenden Mengen gebildet werden, beispielsweise in solchen Mengen, die oberhalb der NO -Emissionsstandards liegen*

2» niedriger Gasimpuls im Ofen. Die Massenverringerung sowohl des Oxydationsmittels als auch des Brennstoffs kann zu einer wesentlichen Verringerung des eintretenden Oxydationsgas- und Brennstoffgasimpulses führen, wodurch sich der Grad der Vermischung und der Gasumwälzung inner-

- 4 - 22915 1 7

28.1.1532

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

halb des Ofens verschlechtert. Gutes Vermischen und gute Gasairkulation sind aber im Ofen erforderlich, damit man eine effektive 'wärmeübertragung und eine gleichmäßige Erwärmung des Beschickungsgutes erreicht und lokale überhitzungen weitgehend vermeidet·

Obgleich die eingangs genannten Vorteile der Verwendung von Sauerstoff oder Säuerstoff-angereicherter Luft anstelle von Luft in industriellen öfen bekannt waren, hat man wegen der vorstehend geschilderten Nachteile von einer solchen Verwendung bisher abgesehen. Es besteht daher in der Technik die ITotwendigkeit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Peue- . rung eines Ofens zu entwickeln, das den Einsatz von Sauerstoff oder Sauerstoff- angereicherter Luft als Oxydationsgas erlaubt, das die Vorteile dieses Verfahrens nutzt und dabei die genannten Nachteile vermeidet.

Ziel der Erfindung

Ziel dieser Erfindung ist es daher, die Leistungsfähigkeit und Effektivität industrieller öfen zu verbessern durch

a) Steigerung der maximalen Ofenfeuerungsrate mittels Erhöhung der eingeführten Oxydationsmittelmenge in den Ofen,

b) Pierabsetzen der Ofenbrennstofferfordernisse durch Verminderung der fühlbaren ¹JarmeVerluste im Abgas infolge Eliminierung von zumindest einem Teil des Stickstoffs und

c) Erleichterung der Abgasreinigung durch Vermindern des Abgasvolumens.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Plammeristabilität während der Verbrennung in einem industriellen Ofen.

29151

23.1.1982

AP I- 27 B / 229 151/7

59 090 12

Ei ja weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Verbrennungsvorrichtung zum Erreichen der vorgenannten Ziele.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feuerung eines industriellen Ofens bereitzustellen, die mit Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft anstelle von Luft als Oxydationsgas arbeiten. Dabei soll die Leistungsfähigkeit und Effektivität von industriellen öfen durch den TSinsatz von Sauerstoff oder durch Sauerstoffanreicherung verbessert werden, während gleichseitig die Nachteile der hohen Flammentemperatur und des niedrigen Gasimpulses vermieden werden, die zu hohen EO-Emissionen und einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Ofen führen. Diese Uachteile treten normalerweise bei Einsatz von Sauerstoff oder Sauerstoffangereicherter Luft als Oxydationsgas auf.

Erfindungsgemäß bereitgestellt wird daher ein Verfahren zur Feuerung eines Ofens, bei dem

a) eine im wesentlichen zur Atmosphäre abgeschlossene Ofenzone vorliegt und die Verfahrensschritte durchgeführt werden,

b) Einführen zumindest eines Strahles eines Oxydationsgases, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Sauerstoff angereicherter Luft und Sauerstoff besteht, wobei der Strahl einen Durchmesser D am Eintrittspunkt aufweist, mit einer Geschwindigkeit am Eintrittspunkt des

229 15 1 7

28.1.1932 ΔΡ Ρ 27 B / 229 151/7 59 090 12

Oxydationsstraiales, die ausreicht, einen solchen Gasuinlauf (Gasumwälzung) und eine Durchmischung innerhalb der Ofenzone zu erreichen, bei dem bzw· der eine im wesentlichen gleichförmige Erhitzung der Ofenbeschickung erfolgt, wobei die Geschwindigkeit wenigstens gleich der durch die Formel

V = 5,7 P - 70

bestimmten Geschwindigkeit ist, worin V die Geschwindigkeit des Oxydationsmittelstrahles in Fuß pro Sekunde und ? der Sauerstoffgehalt des Oxydationsgases in Volumenprozent ist,

c) Einspritzen eines Brennstoffstrahle3 gleichseitig mit Verfahrensschritt b) in die Ofenzone, wobei zwischen dem Brennstoffstrahl und dem Oxydationsstrahl die Entfernung X liegt, die zwischen dem äußeren Rand des Oxydationsgasstrahles und dem äußeren Rand des Brennstoffgasstrahles gemessen wird und die wenigstens gleich der Entfernung ist, die durch die Formel

X = 4 D

gegeben ist,

d) Ansaugen der Ofengase aus der Umgebung des Oxydationsgasstrahles in den Oxydationsgasstrahl hinein in einer Menge, die für das Erreichen einer solchen Flammentemperatur während der nachfolgenden Verbrennung ausreichend ist, die unterhalb der normalen Plammentemperatur liegt; und

15 1 7

28.1.1982

A? P 27 B / 229 151/7

59 090 12

e) nach Beendigung des Ansaugens, Vermischen des Oxydationsgasstrahles mit dem Brennstoffgasstrahl, damit eine Verbrennungsreaktion stattfinden kann.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung (nachfolgend als "Sauerstoffansaugbrenner" bezeichnet) für den Einsatz von Sauerstoff oder Sauerstoffangereicherte Luft als Oxydationsgas zur Befeuerung eines Ofens, die aus folgender Kombination besteht:

a) zumindest einer OxydationsgasdU.se mit dem Durchmesser D-zum Einspritzen eines Oxydationsgasstrahles in die Ofenkamnier, wobei der Durchmesser kleiner als der in der ormel

40 / -σ \ ¹ /2

D =

(P-S) . I N

worin sich D in Zoll ergibt, P der Sauerstoffgehalt des Oxydationsgases in Volumenprozent, ? die Brennerheizleistung in Millionen BTU pro Stunde (MMBTü/h und Ή die Anzahl der Oxydationsgasdüsen ist; und

b) zumindest einer Brennstoffdüse zum Einspritzen von wenigstens einem Brennstoffstrahl in die Ofenkammer, wobei die Brennstoffdüse zur nächsten Oxydationsgasdüse räumlich entfernt ist über eine Entfernung x, die vom Rand der Brennstoffdüse zum Rand der Oxydationsgasdüse gemessen, wird und einen Y/ert von zumindest dem der formel

X = 4 D

2 2 9 15 1 7

23.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

aufweist.

Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können wesentliche Brennstoffeinspariingen und Verbesserungen der Produktionsrate erreicht werden, verglichen mit dem Ofenfeuerungsverfahren, die mit Luft als Oxydationsgas arbeiten. Dabei wird dennoch eine ausreichende Gasbewegung (Gasimpuls) im Ofen erreicht, wodurch sich eine zufriedenstellende Durchmischung und ein entsprechender Gasumlauf im Ofen einstellt, der für eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung erforderlich ist. Dadurch wird gleichzeitig die Flammentemperatur erniedrigt, so dais die UI0„-Smi3sionen unterhalb der vom Emissionskontrollstanclard vorgesehenen Werte bleiben.

Die theoretische Flammentemperatur für einen Brennstoff und ein Oxydationsmittel ist die maximale Temperatur, die in einer Flamme (unter Annahme eines adiabatischen Prozesses und sofortiger und vollständiger Vermischung von Brennstoff und Oxydationsmittel) erreichbar ist, die bei der Verbrennung dieses Brennstoffs mit diesem Oxydationsmittel resultiert.

Der Begriff "normale Flammentemperatur", der hier benutzt wird, besieht sich auf die Flammentemperatur, die tatsächlich in einem Ofen während der Verbrennung eines bestimmten Brennstoffes und eines bestimmten Oxydationsmittels erreicht wird, wenn kein Ansaugen der Ofengase vor dem Vermischen des Brennstoffes und des Oxydationsmittels erfolgt. Die normale .Flamme nt einp er a tür soll nahe bei der theoretischen Fiammentemperatur liegen (wie nahe, hängt von der Vermischung und von den vorherrschenden Bedingungen bei der wärmeübertragung in einem solchen Ofen ab). Bei Vergleich der Flam-

1517

28.1.1932

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

mentemperatür in einem Ofen, in dem das erfindungsgemäße Verfahren abläuft, mit der "normalen Flaminentemperatur" ist ein konventioneller Ofen mit äquivalenten Arbeitsparametern, jedoch ohne Anaaugung von 0fenga3 vor dem Vermischen des Brennstoffs mit dem Oxydationsmittel zugrunde zu legen·

In der beigegebenen Zeichnung zeigen

Pig. 1 grafische Darstellung der Variierung der theoretischen Flammentemperatur von Erdgas als Punktion der Sauerstoffkonzentration des Oxydationsmittels.

Fig. 2 grafische Darstellung der erreichten Planmeηtemperatur in einem Sauerstoffansaugbrenner bei unterschiedlicher Sauerstoffanreicherung im Oxydationsgas für verschiedene OfengasumlaufVerhältnisse·

Fig. 3 schematische Darstellung eines Sauerstoffansaugbrenners zur Durchführung des erfindung3geniäßen Verfahrens*

Fig. 4 schematische Darstellung eines Luftbrenners mit V/irbelfluß und feuerfester Ausstattung im Axialschnitt

Fig. 5 schematisehe Darstellung eines konventionellen konzentrischen Ringbrenners.

Fig. 6 schematische Darstellung eines Ofens, in dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt und die Vorrichtung eingesetzt werden kann«

- ίο - 2 291 5 t 7

28.1.1982

AP ϊ 27 B / 229 151/7

59 090 12

Fig. 7 grafische Darstellung eines Vergleichs der NO-Emissionsspiegel eines Sauerstoffansaugbrenners mit der eines konzentrischen Strahlbrenners ο

Die Beschreibung der Erfindung wird im Hinblick auf eine besondere Ausführungsform gegeben, und zwar für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feuerung eines Ofens mit einer im wesentlichen zur Atmosphäre abgeschlossene Zone, wie dies in üblicher Weise in der Stahlindustrie zur Erhitzung einer Metallcharge benutzt wird, oder auch bei anderen industriellen Anlagen, beispielsweise in der Glasindustrie zur Erhitzung einer Glascharge usw.

Erfindungsgemäß werden die Brennstoff- und die Oxydationsgasstrahle aus separaten Austrittskammern in den Ofen eingespritzt.

Es kann mit nur einem Oxydationsgasstrahl gearbeitet werden, der durch eine Vielzahl von Brennstoffstrahle umgeben ist. Es kann aber auch mit nur einem Oxydationsgasstrahl und einem Brennstoffstrahl oder auch mit einer Vielzahl von beiden gearbeitet werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht aus einem zentral angeordneten Brennstoffstrahl mit einer Vielzahl dazu ringförmig herum angeordneten Oxydationsgasstrahle (vorzugsweise δ bis 8)♦ Die Entfernung (X), die vom Rand der Brennstoffdüse sun Rand einer Oxydationsgasdüse gemessen wird (oder in einer davon verschiedenen Ausführungsform, die Entfernung zwischen dem Rand eines Brennstoffstrahles und dem Rand des Oxydations-,gasstrahles, der dazu am nächsten in Bezug auf ihre entsprechenden Austrittspunlcte angeordnet ist), muß wenigstens dem vierfachen Durchmesser (D) des Oxydationsgasstrahles

- 11 - 2291 51 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7 59 090 12

oder der -strahle entsprechen» gemessen am Düsenausgang (d. i. der innere Durchmesser der Oxydationsgasdüse). .

Die Oxydationsgasstrahle müssen mit einer Geschwindigkeit eingespritzt werden, die ausreicht, einen Ansaugeffekt um sie herum und in der Nähe jedes Oxydationsgasstrahles hervorzurufen, so daß die im wesentlichen aus Verbrennungsprodukten und irgendwelchen Nicht-Sauerstoff-Anteilen des Cxydationsgases bestehenden Ofengaae in die 'Oxydationsgasstrahle hineingesaugt werden können, und zwar aus deren Umgebung, also dem Raum um jeden Oxydationsgasstrahl her Lim (im Unterschied zu Verfahren, die separate Rezirkulationsmittel und -einrichtungen zur Resirkulation von Verbrennungsprodukten aus anderen Teilen des Ofens einsetzen, wie Zo 3. das Abgas).

Um erfindungsgemäß verfahren zu können, muß ein solches Ansaugen vor dem Vermischen der Oxydationsgas- und Brennstoff strahle stattfinden. Die Menge der Ofengase, die aus einer Entfernung Y vom Ausgang der OxydationsgasdLlse (siehe Pig. 3) bis zu einem Punkt in den Oxydationsgasstrahl hinein angesaugt werden, ist der Iv-asseflußrate des Oxydationsgasstrahles direkt proportional und zum Durchmesser der Oxydationsgasdüse umgekehrt proportional.

Die wie oben definierte Entfernung X muß zumindest viermal so groß sein wie der Oxydationsgasstrahl-Durchmesser an der Düse und vorzugsweise achtmal so groß wie der Oxydationsgasstrahldurchmesser..Versuche mit Entfernungen Ii bis zu 20 solcher Durchmesser brachten zufriedenstellende Ergebnisse. Weiterhin wurde experimentell bestimmt, daß bei höheren durchschnittlichen Ofentemperaturen und höheren.Esizraten

- ^ia - 2 29151 7

28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

ein größerer Raum zwischen dem Oxydationsmittel- und dem Brennstoffstrahl wünschenswert ist, um beispielsweise die NO -Emissionen unter einem bestimmten Spiegel zu halten, wie das weiter oben bereits erläutert wurde.

Die Austrittsgeschwindigkeit des Oxydationsgasstrahles muß ausreichend hoch sein, um den erforderlichen Ansaugeffekt hervorzurufen. Allerdings gibt es noch einen anderen Faktor, für den die Geschwindigkeit Bedeutung hat und der in der vorliegenden Erfindung zu steuern ist. Wie bereits oben erläutert, muß die Geschwindigkeit des Oxydationsgasstrahles ausreichend hoch sein, um einen zufriedenstellenden Impuls auf den Strahl am Ausgang des Oxydationsgasstrahles auszuüben. E3 ist wünschenswert, daß dieser Oxydationsstrahlimpuls mindestens vergleichbar mit dem eines äquivalenten Luftstrahls in einem konventionellen Luftbrenner und Feuerungsverfahren ist.

Wie bereits vorher angeführt, ergibt sich aus der Verwendung von Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft eine geringere Gasmassenzufuhr zum Ofen (daher ein geringerer Gasimpuls) und höhere Flammentemperaturen. Nach der vorliegenden Erfindung sind die angesaugten Ofenga.se erforderlich, um in einem Sauerstoff- oder in einem mit Sauerstoff-angereicherter Luft betriebenen System die Rolle zu spielen, die in einem Luftsystem vorher der Stickstoff spielte, nämlich die Masse zu erbringen, die für die Gasvermischung und die Rezirkulation notwendig ist, sowie als inerte Komponente bei der Brennstoffverbrennung zu dienen, um ein Verdünnungsmittel zu sein und die Flammentemperatur der Brennstoffverbrennung herabzusetzen· Auf den Ersatz des Stickstoffs durch heiße Ofengase im Cxydationsmittelstrom

1 5 1

28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7 59 090 12

sind u. a· die erheblichen Brennstoffeinsparungen der vorliegenden Erfindung zurückzuführen.

Die Menge an Ofengas, die erfindungsgemäß in einem Oxydationsmittelstrahl eingesaugt werden muß, ist abhängig von a) der für eine ausreichende Durchmischung und ausreichenden Gasumlauf (Rezirkulation) notwendigen Gasmasse, unter der Voraussetzung, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit Durchmischungs- und GasumlaufVerhältnissen arbeitet, die zumindest mit denen konventioneller Verfahren unter Verwendung von Luft vergleichbar sind und b) der erwünschten Flammentemperatur des Ofens, um die Έ0 -Emissionen gering zu halten und örtliche Überhitzungen zu vermeiden.

Gutes Vermischen und guter Gasumlauf sind für die gleichmäßige Erwärmung ebenso wichtig wie für die Vermeidung örtlicher überhitzungen, Schaden der Gfenbeschickung, an der Ausmauerung usw.

Ohne Ansaugung der Ofengase in den Oxydationsmittelstrahl hinein vor dem Vermischen mit dem Brennstoff, würde die Flammentemperatur im Ofen an dem Punkt, wo sich Oxydationsmittel und Brennstoff vermischen, der normalen Flammentemperatur entsprechen, die in der Uähe der theoretischen Flammentemperatur liegt (wie nahe, hängt von der Effektivität des Vermischens ab) für einen gegebenen Brennstofftyp und Sauerstoffgehalt des Oxydationsmittels (siehe Fig. 1). Die Flammentemperatur steigt mit steigendem Sauerstoffgehalt des Oxydationsmittels an»

Fig. 1 zeigt die Variierung der theoretischen Flammentemperatur bei der Verbrennung von Erdgas als Funktion des Sauerstoff gehaltes des Oxydationsgases unter Annahme.einer voll-

^" &Π. +ST « «W^ 1 /

28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

ständigen und sofortigen Vermischung. Wenn die Sauerstoffkonzentration ansteigt, erhöht sich die theoretische Plammentemperatur merklich von 3370 ⁰P auf 5O3O ⁰P (die adiabatisch Plammentemperatur) Luft/Sauerstoffο Natürlich würde die Temperatur der Verbrennungsprodukte im resultierenden Verbrennungsproduktstrahl in einem konventionellen Verfahren der der normalen Plammentemperatur am Punkt der Vermischung entsprechen und würde mit Abstand vom Brenner entsprechend der Strahllänge abfallen in der Weise, wie sich heiße Verbrennungsgase mit den kühleren, in den Strahl hineingezogenen Gasen vermischen.

Bei der industriellen Verbrennung ist es wichtig, die Plammentemperatur aus zwei Gründen zu steuern. Erstens begünstigt eine hohe Plammentemperatur Kinetik und Gleichgewicht der NO -Bildungsreaktionen, und zweitens kann eine hohe Plammentemperatur lokale Überhitzungen mit ihren entspre- . chenden unerwünschten Effekten hervorrufen (Schäden an der Ofencharge, an der Ofenausmauerung usw·)· Das Hineinsaugen der Ofengase in den Oxydationsinitteistrahl vor dem Vermischen mit dem Brennstoff senkt die Plammentemperatur unter die normale Plammentemperatur, und vienn die Menge des Ofengases ausreichend ist (auch abhängig von den Vermischungsbedingungen in der Verbrennungszone und von der Temperatur des Ofengases selbst), wird die Plammentemperatur ausreichend niedrig, so daß weder eine Überhitzung noch NO^-BiI-dung problematisch werden, eben wenn reiner Sauerstoff als Oxydationsgas eingesetzt wird. Die Messung der NO -Bildung erlaubt es theoretisch, die Plammentemperatur zu schätzen.

Die gemessenen NO -Spiegel, die man bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise erhält, sind extrem niedrig.

229 15 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

Die Herabsenkung der HO -Spiegel ist in erster Linie der effektiven Flammentemperatursteuerung zuzuschreiben und nur indirekt der Sauerstoffanreicherung (und damit Stickstoffverdrängung) des Oxydationsgases. Die Flammentemperatursteuerung ist im allgemeinen erforderlich, weil Stickstoff auf jeden Fall im Ofen vorhanden ist, entweder infolge nicht luftdichter Stellen oder in irgendeiner V/eise im Brennstoff. Die Mengen sind dabei ausreichend, abhängig von den gegebenen Ofenverweilzeiten, signifikante IJO -Mengen ohne Flammentemperatursteuerung zu bilden.

Wenn die Menge der angesaugten Ofengase im Oxydationsmittel strahl des Sauerstoffansaugbrenners vor deren Vermischung mit dem Brennstoffstrahl zunimmt, fällt die Flammentemperatur.

Die Höhe des Flammentemperaturabfalls hängt auch von der Temperatur des Ofengases ab, jedoch trägt die Flammentemperatur als eine Funktion der Menge der angesaugten Ofengase die Beziehungen, die aus Fig. 2 hervorgehen, zum Umlaufverhältnis R, das als folgendes Verhältnis definiert ist

Masse des in den Oxydationsgasstrahl vor dem Vermischen mit dem Brennstoffstrahl eingesaugten Ofen gases

R = Masse des Oxydationsmittels + Brennstoff

Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wünschenswert, eine Flammentemperatur zu erreichen, die um ^T niedriger liegt als die normale Flammentemperatur und zumindest gleich der in der Formel

28.1.1982

AP 1? 27 B / 22.9 151/7 59 090 12

Δ.Ϊ = 400 +7,6 (P - 21)

ist, worin T in Grad Fahrenheit ergibt und P der Sauerstoffgehalt im Oxydationsmittel in Volumenprozent ist.

7/enn mit Sauerstoff oder Sauerstoffanreicherung gearbeitet wird, verringert sich die Masse des Oxydationsgasstrahls vergleichsweise zum Luftsystem aus zwei prinzipiellen Gründen. Erstens wegen der Eliminierung eines Teiles oder der Gesamtstickstoffmasse wegen der Sauerstoffanreicherung, und zweitens wegen der geringeren Erfordernisse bei der Säuerst off verbrennung, da der eliminierte Stickstoff nicht mehr erhitzt werden braucht. Deshalb muß die Geschwindigkeit des Oxydationsgasstrahles erhöht werden, um für den Gasstrahl einen ausreichenden Impuls zwecks guter Durchmischung und guten Gasumlauf im Ofen zu geben, da sowohl Durchmischung als auch Gasumlauf notwendig sind für eine gleichmäßige V/ärmeÜbertragung im Ofen·

Pur die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollte die minimale Oxydationsgasgeschwindigkeit (gemessen an der Öffnung der Oxydationamitteldüse), die für eine gute Durchmischung und guten Gasumlauf erforderlich ist, größer sein als die durch die folgende empirische Gleichung

V = 5,7 P - 70

gegebene Geschwindigkeit, worin V die Oxydationsgasgeschwindigkeit in Fuß/Sekunde und P der Sauerstoffgehalt des Oxydationsmittels in Volumenprozent .ist, unter der Voraussetzung, daß das Vermischen und der G_asumlauf, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht wird, mindestens

229 1 51 7

28,1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

so stark wie in einem Luftsystem ist»

Es ist typisch, wenn die Oxydationsgasgeschwindigkeit eines konventionellen Luftofens etwa bei 50 bis 100 Fuß/Sekunde liegt· Ein Ofen mit 100 % Sauerstoff und mit dem gleichen Impuls wie dem eines äquivalenten Luftsystems, arbeitet mit einer Oxydationsgasgeschwindigkeit im Bereich von etwa 450 bis 950 Fuß/Sekunde-, unter der Voraussetzung einer 5Obigen Brennstoffeinsparung. Im allgemeinen sollte die Gasgeschwindigkeit zumindest 500 Fuß/Sekunde und vorzugsweise mehr als 800 Fuß/Sekunde betragen, um einen Impulsspiegel zu erhalten, der mit dem konventioneller Luftsysteme vergleichbar ist oder höher liegt* Die bevorzugte Geschwindigkeit liegt im Bereich von 450 bis 1000 Fuß/Sekunde.

Aus Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffansaugbrenners zu entnehmen, der die praktischen Erfordernisse des erfindungsgemäßen Verfahrens erfüllt. Fig. 3b ist die schematische Darstellung der axialen Ansicht des gleichen Brenners. Der Brenner 1 hat eine Brennstoffzuführung 2 und eine Oxydationsmittelzuführung 3j die zu einer Vielzahl von 0xydationsmitteldüsen4 mit dem Durchmesser D führt. Die Oxydationsmitteldüsen 4 sind gleichmäßig über einen Kreis 5 rund um die Brennstoffdüse 6 in einer Entfernung X von deren Rand angeordnet. Für die praktische Ausführung der Erfindung sind allerdings weder die kreisförmige Düsenanordnung noch die gleichmäßige räumliche Anordnung wesentlich. Beides sind daher vorzugsweise Ausführungsformen.

Es gibt andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Arrangements, in denen die Oxydationsmitteldüsen in pa-

- « - 229151 7

28.1.1932

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

rallelen Reihen bei einer Entfernung X und in Form eines Rahmens zu einer oder mehreren der Brennstoffdüsen liegen, oder wo eine asymmetrische Anordnung der Oxydationsmitteldüsen vorliegt, die die Flamme seitlich erreichen und eine reduzierende Wirkung auf der einen Seite und eine oxydierende auf der anderen Seite hervorrufen usw. Was dabei wesentlich ist, ist die Entfernung X zwischen einer Brennstoffdüse und der am nächsten befindlichen Oxydationsmitteldüse, wobei diese Entfernung zumindest das Vierfache des Innendurchmesser D der Oxydationsmitteldüse beträgt, so daß ein genügender Raum zwischen den korrespondierenden Strahlen liegt, um das Absaugen ausreichender Mengen Ofengase in die Oxydationsmittelstrahle 8 hinein erfolgen kann, bevor sich der Strahl 9 und die Cxydationsmittelstrahle 8 vermischen.

Vorzugsweise hat die Brennstoffdüse 6 flammenstabilisierende Einrichtungen, die mit ihr in Verbindung stehen» In Pig. .3 weist die Brennstoffdüse 6 einen Kreisring 10 um sich herum auf, der mit der Haupt-Oxydationsmittelzuführung 3 über einen Kanal 7 verbunden ist, durch den eine verhältnismäßig kleine Menge des Oxydationsmittels in der Weise eingespritzt wird, daß eine Oxydationsmittelhülle (11) um den Brennstoffstrahl herum hervorgerufen und dabei eine kontinuierliche IPlammenfront und eine Flammenstabilisierung ermöglicht wird. Für die Oxydationsmittelhülle sind 5 bis 10 % des Oxydationsmittels 0 ausreichend. Eine vollständige Oxydationsmittelhülle ist nicht erforderlich. Es ist ausreichend, eine geringe Menge (5 - 10. %) des Oxydationsmittels am Rand des BrennstoffStrahles einzusetzen, um eine Flammenfront zu erzeugen.

- 19 - 2 29 1 5 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

Bei Betrieb der Anlage werden die Oxydationsmittelstrahle 8 und der Brennstoffstrahl 9 in den Ofen gespritzt. Wegen der Entfernung X zwischen jeder der Düsen 4 und der Düse 6 bleibt ein Raum 12 zwischen den Strahlen 8 und dein Strahl 9 frei, der durch die Stirnseite des Brenners an einem Ende und durch die Fläche 13» wo sich Brennstoff und Oxydationsmittel mischen und die Verbrennung stattfindet, am anderen Ende definiert ist. Me Ofengase, die im Falle des Einsatzes von Sauerstoff als Oxydationsmittel im wesentlichen aus Verbrennungsprodukten bestehen (unter der Voraussetzung effektiver Vermischung und Gasumlauf) werden in die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Oxydationamittelstrahle 8 aus der näheren Umgebung dieser Strahle einschließlich des Raumes 12 hineingesaugt. Dann vermischen sich die Oxydationsmittelstrahle 8 mit dem Brennstoffstrahl 9 au einem (nicht gezeigten) resultierenden Strahl bei der Fläche 13· Aus dem Gasumlauf des Ofens herrührende Gase finden ihren Weg in die nähere Umgebung der Strahle einschließlich des Raumes 12, wo sie wiederum durch den Oxydationsmittelstrahl 8 angesaugt werden, um das Oxydationsmittel v/irksam zu verdünnen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher möglich, Ofengase als Ersatz für Stickstoff zu benutzen, um die gleiche oder eine niedrigere als die normale Flammentemperatur für ein konventionelles System unter Verwendung des gleichen Brennstoffes und bei gleichen Sauerstoffgehalten im Oxydationsgas, jedoch ohne Ansaugung zu erreichen· Dabei wird die gleiche oder eine höhere Vermischung, Gasrezirkulation und gleichförmige Temperaturverteilung erreicht, ohne eine Erhöhung der HO -Emission, in Wirklichkeit sogar eine Emissionserniedrigung·

2 2 915 1 7

28.1.1982 AP ]? 27 B / 229 151/7 59 090 12

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend durch Beispiele näher erläutert· Unter Vornahme von Kalkulationen und Experimenten wurde Erdgas als Brennstoff eingesetzt, das die folgenden Zusammensetzungen und Heizwerte auf v/i es

Heizwerte

oberer

unterer

Gaskomponente

VOL.-3

	96,0	BTU
°2*6	1,6 1,6	(Puß³ bei 60°?)
O₉	0,3	1010
C₃H₃ P TT	0,3 0,1 0,1	910
	100,0
LSiBTU
(pound-MoI)
0,383
0,364

Natürlich kann die Erfindung auch unter Einsatz anderer gasförmiger oder flüssiger Brennstoffe oder einer Dispersion eines festen Brennstoffes in einem flüssigen Medium ausgeübt werden, a. B. mit Methan, Propan, Dieselöl sowie auch mit synthetischen Brennstoffen wie einem Gemisch von H₀ und CO.

Der prozentuale Oxydationsmittelüberschuß ist so anzunehmen, daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas 2 Vol.-% beträgt»

21 - 2 291517

28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

Das wird erreicht bei 111,6 % stöchiometrischem Oxydationsmittel bei Einsatz von Luft, und bei 103,1 % eines solchen Oxydationsmittels, wenn Sauerstoff als Oxydationsgas verwendet wird·

Der eingesetzte Sauerstoffansaugbrenner war von der in den Fig. 3a und 3b schematisch dargestellten Art. Es wurden Sauerstoffdüsendurchmesser der Größen 1/Ί6 Zoll, 3/32 Zoll und 1/8 Zoll untersucht. Es wurden weiterhin Versuche durchgeführt mit insgesamt 6 und 8 Düsen, die gleichmäßig in Kreisform mit der Brennstoffdüsenachse als Mittelpunkt um diese herum verteilt wurden. Der Durchmesser dieses Kreises wurde von 2 bis 5 Zoll variiert. Es wurden Vorkehrungen getroffen, daß es einem Teil des Oxydationsmittels ermöglicht wird, durch einen Kreisring um die Brennstoffdüse herum zu gelangen, um die Flammenfront zu stabilisieren. Verschiedenen Verbrennungsparameter wurden eingesetzt und mit der üblichen Verfahrensweise in einem Versuchsofen verglichen (61), von dem eine Skizze in Fig. 6 zu sehen ist,'wobei industrielle Bedingungen simuliert wurden» Der Ofen war mit einer feuerfesten Auskleidung 62 mit einem Y/ärmeabzug (7/ärme senke) 63 am Boden versehen und wie3 ein Inneninaß von 4x4x8 Fuß auf. Der Ausstoß der Brenner 64 im Arbeitszustand im Ofen lag üblicherweise bei 0,5 bis 1,0 MI-BTU/h.

Es wurden drei verschiedene Brennertypen eingesetzt: ein erfindungsgemäßer Brenner, der oben beschrieben worden ist und zwei weitere konventionelle Brenner, die in den in Pig. 4 ixnd 5 entsprechend als A und B schematisch dargestellt wurden· Fig. 4 zeigt Brenner^, einen konventionellen Vfirbelflußbrenner, der auf einem feuerfesten Brennerblock 41 montiert worden war (4 Zoll Durchmesser, 11 Zoll Länge) an der Ofenwand 42 in einer !Tische und mit zentraler Brenn-

-^- 2 29 1 5 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

stoffzuführung 43 (7/16 Zoll Durchmesser) versehen und von einer Oxydationsmitteldüse 44 (3 Zoll Durchmesser) umgeben war. Die Oxydationsinitteldüse 44 wies Wirbeleinrichtungen 45 auf, um dem Oxydationsmittelstrom eine tangentiale Komponente zu verleihen, die in Verbindung mit dem Brennerblock 41 zur Flammenstabilisierung diente.

Der Brenner B, der in der Fig. 5a als Stirnansicht und in Fig. 5b in Axialansicht gezeigt ist, bestand aus konzentrischen Strahldüsen, einer Brennstoffzuführung 51» die durch eine Sauerstoffzuführung 52 umgeben war. Die zentrale Brennstoffdüse 53 (0,242 Zoll Innendurchmesser) war von einer ringförmigen Oxydationsmitteldüse 54 (0,375 Zoll Innendurchmesser; 0,625 Zoll Außendurchmesser) umgeben·

Weitere Erläuterungen der Erfindung sind aus den folgenden Versuchsergebnissen zu entnehmen·

1· Stabilität unter Betriebsbedingungen

Anfangs wurde der Sauerstoffansaugbrenner ohne den Sauerstoffring um den Brennstoffstrom herum betrieben* Dabei zeigte sich, da3 der Brenner unstabil hinsichtlich der Flammenfront arbeitete, diese zwischen Ruckwand und Stirnwand des Ofens hin und her schwankte. Dies führte jedesmal zu einer Vibration des Ofens, wenn sich die Flammenfront von der Rückwand zur Stirnwand des Ofens in Richtung auf den Brenner zu bewegte. Durch Führung eines Teiles des Sauerstoffs (etwa 5 bis 10 % der Gesamtsauerstofi'menge) durch den Kreis*ring um die Brennstoffdüse herum, erhielt man eine kontinuierliche Flammenfront nahe der Brennerstirnfläche an der Grenzfläche Sauerstoffhülle - Erdgas.

1517

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

Das stabilisierte die Verbrennung innerhalb des Ofens, vermied Plammenschwankungen und Ofenvibrationen. Die einzig sichtbare Flammenfront war die durch die geringe Sauerstoffzufuhr über den Kreisring mit einem Teil des Brennstoffs hervorgerufene. Es gab keine sichtbare Flammenfront für die Verbrennungsreaktionen zwischen den Sauerstoffstrahlen und der Masse des Erdgases. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Brennern, die eine gut definierte sichtbare Flamme zeigen.

Der untersuchte Brenner arbeitete stabil mit Sauerstoffstrahle, die Geschwindigkeiten bis zu 930 Fuß/Sekunde aufwiesen· Auch höhere Geschwindigkeiten sind möglich. Beispielsweise wurden in einer Versuchsserie 560 Kubikfuß Erdgas, 1140 Kubikfuß Sauerstoff und acht SauerstoffdUsen mit 1/1β Zoll Durchmesser eingesetzt. Annähernd 7 % Sauerstoff wurden über den Kreisring zwecks Fiammenstabilisierung geführt und der Rest über die Düsen. Unter diesen Bedingungen wurde die Sauerstoffgeschwindigkeit mit etwa 980 Fuß/Sekunde bei einem Druck von 11 psig am Düsenausgang berechnet. Die Düse hatte eine gerade Bohrung, um Überschallgeschwindigkeit innerhalb der Düse zu vermeiden. Es ist zu erwarten, daß der die Düse verlassende Sauerstoff expandiert und dabei Geschwindigkeiten größer als 980 Fuß/Sekunde auftreten. Der Brenner arbeitete stabil mit Düsen in einem Kreisdurchmesser von 2; 3,5 und 5 Zoll. Es wurde gefunden, daß der Brenner auch Sauerstoffstrahle geringerer Geschwindigkeiten stabil verarbeitet, daher ist dies weniger von praktischem Interesse.

Der Brenner arbeitete in einem Bereich verschiedener Bedingungen von hohen bis zu niederen Feuerungsraten stabil. Diese Bedingungen wiesen ein Verhältnis bis zu 20 : 1 auf. In

- » - 22315 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

einem Teil der Versuche, bei dem die Bedingungen in einem spezifischen industriellen Ofen simuliert wurden, wurde die Ofentemperatur in einem engen Bereich gehalten, indem man den Brenner alternativ bei sehr hohen und sehr niedrigen Feuerungsraten betrieb. Beispielsweise arbeitete der Brenner in einem der Versuche bei den unten angegebenen Feuerungsraten.

	Erdgas	zu den	hohe	Feuerungsrate	1050	niedrige
	Saiierstoff Düsen	zum	2040
Fuß³	Sauerstoff Kreisring	90	50
Fuß³		0
Fuß³		155

Die Zuführungsraten lagen zwis-chen niedrigen und hohen Feuerungsraten, gesteuert über langsam arbeitende Eagnetventile. Der Brenner arbeitet bei beiden Feuerungsraten stabil mit keiner Unstabilitä'tser scheinung während des Wechsels zwischen hohen und niedrigen Raten oder umgekehrt. Es wurden keine Beschränkungen im Bereich der getesteten niedrigen und hohen Feuerungsraten gefunden, die auf die stabile Brennerarbeitsweise Einfluß hatten. Das bedeutet, daß der Brennerbereich der stabilen Arbeitsweise größer als der getestete Bereich ist.

2. Vergleich mit dem konventionellen Wirbelbrenner

Ein Vergleich auf der Grundlage der ϊΤΟ,,-Bildung wurde zwisehen dem neuen Sauerstoffansaugbrenner und einem konventionellen Wirbelbrenner gezogen. '.Vie aus Fig» 4 hervorgeht, weist der Wirbelbrenner einen tangentialen Fluß des Oxyda-

25 - 2 2 9 15 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090-12

tionsmittels auf sowie einen feuerfesten Brennerblock zur Flammenstabilisierung« Das Vermischen des Oxydationsmittels mit dem Brennstoff sowie die Verweilzeit im Feuerrohr für diesen Brenner waren so, .daß die Temperatur der "Verbrennung? produkte vermutlich nahe der theoretischen Flammentemperatur lagen. Die folgenden KO -Messungen wurden im Abgas bei Einsatz des konventionellen ^irbelbrenners gemacht:

Vol-% Sauerstoff im Oxydationsmittel

21

30

90

100

Stickoxi	de im Abgas
Pound	/LIMBTU
o,	0-44
Oj	13
o,	41
0,	10

Bei diesen Versuchen lag die Temperatur der Verbrennungsgase im Abgas im Bereich von 2100 bis 2200 ⁰F. Die Feuerungsrate .wurde in jedem Test so eingestellt, daß die Ofentemperatur und die Wärmeübertragungsrate sum Wärmeabzug (Senke) annähernd konstant blieben.

7«^Tegen der Brennstoffeinsparung, die bei Einsatz von Sauerstoff für einen Teil oder die Gesamtmenge an Luft bei der Verbrennung eintritt, fällt die Feuerungsrate in der i/eise ab, wie sich der Sauerstoffgehalt im Oxydationsmittel erhöht. Diese Daten zeigen, daß der NO„-Gehalt wächst mit steigendem Sauerstoffgehalt im Oxydationsmittel bis zu 90 % Op. Dies war zu erwarten, da die Flammentemperatur ebenfalls ansteigt und Kinetik und Gleichgewicht für die Bildung von 110 begünstigte. Zwischen 90 und 100 % Sauerstoffgehalt vermindert sich die ITO -Bildung bis zur niedrigeren Konzentration des anfallenden Stickstoffs. Bei in-

2 2 9 15 1 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

dustriellen Betriebsbedingungen des Ofens, würde die NO-- · Bildung unter Einsatz von 100 % Sauerstoff in einem konventionellen Brenner vermutlich wesentlich höher als die in der Tabelle gezeigten sein, die auf Luftundichtheiten im Ofen bezogen ist. Die NO -Bildung bei 90 % O₀ im Versuchsofen kann näher daran sein als die, die man mit 100 % 0_? in einem industriellen Ofen erhält, wenn in beiden Fällen ein konventioneller Brenner eingesetzt wird.

Beim Test des Sauerstoffansaugbrenners mit 100 % Sauerstoff bei vergleichbaren Ofenbedingungen (annähernd die gleiche Ofentemperatur und Wärmeübertragungsrate zur Senke) lag der gemessene NO -Wert etwa bei 0,001 Pound/KMbTU. Bei diesen Verglichen wurden acht Düsen verwendet mit 1/16 Zoll Durchmesser in einem Kreisdurchmesser von 2, 3»5 und 5 Zoll sowie Düsen mit 1/8 Zoll Durchmesser in einem Kreisdurchmesser von 2 Zoll. Die NO -Bildung für alle untersuchten Bedingungen lag wesentlich unter allen bekannten NO -Emissionsbedingungen und -Standards.

Die sich ergebende Flammentemperatur bei Ansaugung der Ofengase in die Sauerstoffstrahle vor dem Vermischen mit dem Brennstoff war offenbar niedrig im Verhältnis zu der, bei der die Kinetik für die NO -Bildung signifikant wird.

3· Vergleich mit kommerziellen konzentrischen Strahlbrennern (Brenner B)

Ss wurden Versuche durchgeführt, bei denen der neue, erfindungsgemäße Sauerstoffansaugbrenner mit einem konventionellen Brenner, bestehend aus ringförmigen Strahlen von Brennstoff und Sauerstoff verglichen wurde. Der Sauerstoffansaugbrenner hatte acht Sauerstoffdüsen mit jeweils 3/32 Zoll

2OQ 1 C 1

28.1.1982

AP P 27 B / 229 151/7

59 090 12

Durchmesser in einem Kreisdurchinesser von 2 Zoll. Eine Skizze des ringförmigen Strahlbrenners ist in den Pig. 5a und 5b gegeben. Die Versuche wurden unter zwei Bedingungen durchgeführt; die normalerweise die ΙΤΟ^,-Bildung begünstigen: hohe Ofengastemperatur und luftundichtheiten im Ofen· Bei allen Versuchen lag die Feuerungsrate bei 815 Fuß-' Erdgae zusammen mit 1670 bis 1695 Fuß ^ Sauerstoff. Die Ofengastemperatur betrug zwischen 2800 und 2900 °3? (bei kommerzieller metallurgischer Anwendung, beispielsweise in Tieföfen oder Rohr-Zwischenüberhitzeröfen liegt die durchschnittliche Ofentemperatur im allgemeinen im Bereich von 2000 bis 2500 ⁰P). Die Luftundichtheit des Ofens'wurde mit 0 bis 3OO Fuß³ Luft

gesteuert. Die Ergebnisse bei der ϊΤΟ,,-Bilduna: sind grafisch in Fig. 7 enthalten·

Bei beiden Brennern erhöhte sich die NO^-Bmission mit steigender Luftundichtheit. Allerdings lag die IiO -Bildung unter vergleichbaren Versuchsbedingungen ganz wesentlich niedriger beim Ansaugbrenner im Vergleich mit dem ringförmigen Strahlbrenner. Der NO -Emissionsspiegel des Ansaugbrenners lag in jedem Fall unterhalb bekannter Emissionsstandards für ITO bei allen untersuchten Bedingungen·

Claims

229151 7

28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12'

Erf indungsans ρ rue h
1. Verfahren zur Feuerung eines industriellen Ofens, gekennzeichnet durch

a) Vorliegen einer im wesentlichen zur Atmosphäre abgeschlossenen Ofenzone;

b) Einführen zumindest eines Oxydationsgasstrahles, der entweder Sauerstoff-angereicherte Luft oder Sauerstoff ist, in die Ofenzone, wobei der Strahl am Eintrittspunkt einen Durchmesser D aufweist, bei einer Geschwindigkeit am Eintrittspunkt des Oxydationsgasstrahles, die ausreichend ist, einen solchen Gasumlauf und eine Durchmischung innerhalb der Ofenzone zu erwirken, die eine im wesentlichen gleichförmigen Erhitzung der Ofenbeschickung erlauben, wobei die Geschwindigkeit wenigstens gleich der der Formel

V = 5,7 P - 70

ist, worin V die Geschwindigkeit des Oxydationsgasstrahles in Fuß pro Sekunde und P der Sauerstoffgehalt des Oxydationsgases in Volumenprozent ist; c) Einspritzen zumindest eines BrennstoffStrahles .

gleichzeitig mit Verfahrensschritt b) in die Ofenzone, wobei zwischen dem Brennstoffstrahl und dem Oxydationsgasstrahl eine Entfernung X liegt, die zwischen dem äußeren Rand des Oxydationsgasstrahles und dem äußeren Rand des BrennstoffStrahles an deren entsprechenden Eintrittsstellen gemessen wird und die wenigstens gleich der in der Formel

X = 4 D
ist;

-**- 229 1 5 1 7
28.1.1982

AP F 27 B / 229 151/7

59 090 12

d) Ansaugen der Ofengase aus der Umgebung des Oxydationsgasstrahles in den Oxydationsgasstrahl hinein in einer Menge, die für das Erreichen einer solchen Flammentemperatur während der nachfolgenden Verbrennung ausreichend ist, die unterhalb der normalen Flammentemperatur liegt; und

e) nach Beendigung des Ansaugens, Vermischen des Oxydationsgasstrahles mit dem Brennstoff strahl, -damit eine Verbrennungsreaktion stattfinden kann.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Oxydationsgas zumindest 30 Vol.->5 Sauerstoff enthält»

3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Geschwindigkeit des Oxydationsgasstrahles zwischen etwa 450 bis 1000 Fuß pro Sekunde liegt.
4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine Vielzahl von Oxydationsgasstrahle durch Düsen im Abstand um den Brennstoffstrahl herum eingespritzt v/erden.

5» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß während des Schrittes d) die Menge der angesaugten Ofengase ausreichend ist, eine solche Plammentemperatur während der nachfolgenden Verbrennung zu erreichen, die niedriger ist als die normale Flammentemperatur, wobei der Betrag ^T zumindest dem der Formel

Δ T = 400 + 7,C (P - 21)

229 15 1 7
28.1.1982

AP F 27 B/229 151/7

59 090/12

entspricht, wobei ^ T in ⁰F angegeben wird und P der Sauerstoffgehalt des Oxydationsgases in YoI*-% ist.

β. Verfahren nach Punkt 1, 2, 3, 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß 5 bis 10 % des Oxydationsgases auf die Peripherie des BrennstoffStrahles gerichtet sind, um eine Oxydationshülle zu bilden, Yfodurch eine Flammenfront gebildet und die Flamme stabilisiert wird.
7. Verbrennungsvorrichtung mit Sauerstoff oder Sauerstoffangereicherter Luft als Oxydationsgas bei der Feuerung eines industriellen Ofens, gekennzeichnet durch die Kombination von

a) zumindest einer Oxydationsgasdüse mit dem Durchmesser D zum Einspritzen eines Oxydationsgasstrahles in die Ofenkammer, wobei der Durchmesser kleiner als der in der Formel

1/2

D =.40 f F

(P - 8) i Έ

gegebene ist, worin sich D in Zoll ergibt, P der Sauerstoffgehalt des Oxydationsgases in Vol.-%, F die Brennerheizleistung in MLBTU/h (Million 3TU pro Stunde) und H die Anzahl der Oxydationsdüsen ist; und

b) zumindest einer Brennstoffdüse zum Einspritzen von wenigstens einem Brennstoffstrahl in die Ofenkamnier, wobei die Brennstoffdüse zur nächsten Oxydationsgasdüese eine Entfernung Σ aufweist, und X vom Rand der

ι«Μ·ί η

229 1 5 1 7
28.1.1982

AP ϊ¹ 27 B / 229 151/7

59 090 12

Brennstoffdüse sum Rand der Oxydationsgasdüse gemessen wird und einen Wert von zumindest 4 D aufweist, nach, der Formel

X = 4 D .
8. Vorrichtung nach Punkt 7» gekennzeichnet dadurch, daß sie eine Vielzahl von Oxydationsgasdüsen in kreisförmiger Anordnung um die Brennstoffdüse herum aufweist.

9* Vorrichtung nach Punkt 7₅ gekennzeichnet dadurch, daß die Entfernung X zwischen 8 D und 20 D liegt.
10. Vorrichtung nach Punkt 7» gekennzeichnet dadurch, daß sie Einrichtungen zum Ausrichten von 5 bis 10 % der Oxydationsgase auf die nähere Umgebung des Brennstoffstrahles aufweist und dadurch Einrichtungen zum Hervorrufen einer Flammenfront und Plaramenstabilisierung.

Hierzu .iL.Sei!en Zeichnungen