DE10156376A1

DE10156376A1 - Rotary furnace burner nozzle contains coaxial fuel and oxygen feeds and connects flowably to variable vorticizer to permit air or oxygen or mixed work.

Info

Publication number: DE10156376A1
Application number: DE10156376A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bosch
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-06-05

Abstract

The burner nozzle includes fuel and oxygen feeds (7 and 8) and is flowably connected to a variable vorticizer (5) of the movable block type, generating a vortex intensity between S = 0 and S = 2. Fuel feed (9), air feed (3) and/or oxygen feeds (8,10) are arranged coaxially and the oxygen lance (7) can adjust axially in the burner nozzle. The ratio of air feed length (L), burner outlet (2) and air feed diameter (D) should vary between 2 and 5.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner, der sowohl mit Sauerstoff, als auch mit Luft als auch mit Luft und Sauerstoff im Mischbetrieb gefahren werden kann. The invention relates to a burner that both with oxygen, as well as with air can also be operated with air and oxygen in mixed operation.

Das Einschmelzen von Glas oder Metallen, wie z. B. Aluminium, erfolgt zum großen Teil in Herd- oder Drehrohröfen. Dabei finden sowohl Sauerstoff- als auch Luftbrenner Verwendung, wobei bei letzteren die zur Verbrennung eingesetzt Luft auch vorgewärmt sein kann. Um die Flammstabilität zu erhöhen werden die Brenner dabei häufig mit Drallgeneratoren ausgerüstet. The melting of glass or metals, such as B. aluminum, is done for large Part in hearth or rotary kilns. It finds both oxygen and Air burner use, the latter used for combustion air can also be preheated. To increase the flame stability, the burners often equipped with swirl generators.

Ein leistungsstarker Sauerstoffbrenner ist beispielsweise aus der EP 0 663 562 A2 vorbekannt. Bei diesem Brenner ist eine Primärsauerstoffzuleitung zentral in einer Brennstoffzuführung aufgenommen. Die von Zuleitungskanälen für ein Kühlmedium konzentrisch umgebene Brennstoffzuführung ist radial außenseitig von mehreren in gleichmäßigen Winkelabständen angeordneten Zuleitungskanälen für Hauptsauerstoff umgeben. Die Sauerstoffkanäle sowie der Brennstoffkanal münden im Bereich eines Düsenaustritts aus dem Brenner aus, wobei die Austrittsöffnungen der Kanäle bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise, in einer Ebene angeordnet sind. A powerful oxygen burner is, for example, from EP 0 663 562 A2 previously known. With this burner, a primary oxygen supply line is central in one Fuel supply added. That of supply channels for a cooling medium concentrically surrounding fuel supply is radially outside of several in evenly spaced supply channels for Main oxygen surround. The oxygen channels and the fuel channel open in the area of a nozzle outlet from the burner, the outlet openings the channels preferably, but not necessarily, arranged in one plane are.

In jüngerer Zeit werden auch kombinierte Luft-Sauerstoff-Brenner in Aluminiumöfen eingesetzt. Hierbei wird insbesondere für Herdöfen eine Sauerstoff-Brennerflamme zusätzlich mit Luft überschichtet, um überhöhte Gewölbetemperaturen durch die Strahlung der Flamme zu vermeiden. Um das Metallbad vor Oxidation zu schützen, kann zudem die Flamme auch unterschichtet werden. Ferner können Betriebskosten dadurch vermindert werden, dass vom reinen Sauerstoffbetrieb während des Einschmelzprozesses auf reinen Luftbetrieb während des Warmhaltens in der Wartephase vor einem Abstich umgeschaltet wird. Derartige Brenner können in der Regel im reinen Luftbetrieb jedoch nicht stabil gefahren werden. More recently, combined air-oxygen burners have also been used in aluminum furnaces used. Here, an oxygen burner flame is used, particularly for hearth furnaces additionally overlaid with air in order to avoid excessive vault temperatures Avoid flame radiation. To protect the metal bath from oxidation, the flame can also be underlaid. Furthermore, operating costs be reduced by the fact that the pure oxygen operation during the Melting process on pure air operation while keeping warm in the Waiting phase before a racking is switched. Such burners can in the As a rule, they cannot be driven stably in pure air mode.

In dem Fachartikel "Reduced emissions and process optimisation with a new combined burner system" aus der Zeitschrift "Aluminium", 77. Jahrgang 2001, Nr. 1/2, S. 27 wird ein kombinierter Heißluft-Sauerstoff-Brenner für Drehrohröfen vorgestellt. Der Brenner umfasst einen Sauerstoff-Tangential-Brenner, der zentral in einem Heißluft-Tangential-Brenner aufgenommen ist und unabhängig von diesem betrieben werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass auf Grund der festgelegten Düsengeometrie die Flammenform durch das Verhältnis von Sauerstoff bzw. Luft zu Brennstoff festgelegt ist. In the technical article "Reduced emissions and process optimization with a new combined burner system "from the magazine" Aluminum ", 77th year 2001, no. 1/2, p. 27 becomes a combined hot air-oxygen burner for rotary kilns presented. The burner includes an oxygen tangential burner that is centrally located in a hot air tangential burner is included and independent of this can be operated. The disadvantage, however, is that due to the set Nozzle geometry changes the flame shape by the ratio of oxygen or air Fuel is set.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen mit Luft und/oder Sauerstoff betreibbaren Brenner zu schaffen, bei dem die Verstellbarkeit der Flammenform und Flammenlänge gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. The object of the present invention is therefore one with air and / or oxygen to create operable burner in which the adjustability of the flame shape and Flame length is improved compared to the prior art.

Gelöst ist diese Aufgabe durch einen kombinierten Luft- Sauerstoff-Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. This task is solved by a combined air-oxygen burner with the Features of claim 1.

Erfindungsgemäß kommt also ein kombinierter Luft- Sauerstoff-Brenner zum Einsatz, bei dem eine Sauerstoffbrennerlanze in einer Luftzuführung aufgenommen ist, der zugleich ein einstellbarer Drallerzeuger vorgeschaltet ist. Neben der Einstellbarkeit der Impulsströme von Brennstoff, Sauerstoff und Luft kann mit dem erfindungsgemäßen Brenner zusätzlich die Drallstärke eingestellt werden. Durch die variable Drallstärke der Luft kann die Flammenlänge und -form sowie der Regelbereich verändert und so die Flamme bei jedem Mischungsverhältnis zuverlässig stabilisiert werden. Der erfindungsgemäße Brenner kann so sowohl im reinen Sauerstoffbetrieb und im reinen Luftbetrieb, als auch in einem Luft-Sauerstoff- Mischbetrieb gefahren werden, bei dem der Luftanteil zwischen 0% und 100% variabel ist. Als Brennstoff können dabei alle üblichen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffe zum Einsatz kommen, insbesondere eignet sich Erdgas. Der Sauerstoffbrenner wird erfindungsgemäß mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas betrieben. According to the invention, therefore, a combined air-oxygen burner is used Use in which an oxygen burner lance is added to an air supply is, which is also connected to an adjustable swirl generator. In addition to the The pulse flows of fuel, oxygen and air can be adjusted with the burner according to the invention, the swirl strength can also be set. Through the variable swirl strength of the air can change the flame length and shape as well as the The control range changes and so does the flame at any mixing ratio be reliably stabilized. The burner according to the invention can thus both pure oxygen operation and in pure air operation, as well as in an air-oxygen Mixed operation in which the air percentage is between 0% and 100% is variable. All conventional gaseous or liquid fuels can be used as fuel Fuels are used, natural gas is particularly suitable. The Oxygen burner according to the invention with oxygen or a operated oxygen-rich gas.

Besonders zuverlässige Drallerzeuger mit verstellbarer Drallstärke sind unter der Bezeichnung "movable Block" bekannt und werden in einem breiten Spektrum bei industriellen Anwendungen eingesetzt. Bevorzugt lässt sich mit dem Drallerzeuger eine Drallstärke S zwischen S = 0 (kein Drall) und S = 2 (überkritischer Drall) einstellen. Particularly reliable swirl generators with adjustable swirl strength are among the Name "movable block" known and are used in a wide range industrial applications. Can be preferred with the swirl generator set a swirl strength S between S = 0 (no swirl) and S = 2 (supercritical swirl).

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brennstoffzuführung und/oder die Luftzuführung und/oder die Sauerstoffzuführung im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind. An advantageous development of the invention provides that the fuel supply and / or the air supply and / or the oxygen supply essentially are arranged coaxially to each other.

Um eine weitere Einstellmöglichkeit zur Optimierung der Flammenparameter zu schaffen, ist die Sauerstoffbrennerlanze axial verschiebbar in der Brennerdüse aufgenommen. Infolge einer hierdurch bewirkten stufenweisen Verbrennung können insbesondere die NO_X-Emissionen deutlich gesenkt werden. In order to create a further setting option for optimizing the flame parameters, the oxygen burner lance is accommodated in the burner nozzle so as to be axially displaceable. As a result of a gradual combustion caused by this, in particular the NO _x emissions can be significantly reduced.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Verhältnis aus der Länge der Luftzuführung (gemessen zwischen dem Drallerzeuger und dem Düsenaustritt der Brennerdüse) und dem Druckmesser der Luftzuführung (gemessen am Düsenaustritt der Brennerdüse) einen Wert zwischen eins und zehn auf. Besonders bevorzugt sind dabei Werte zwischen zwei und fünf. In a preferred embodiment of the invention, the relationship from the Length of air supply (measured between the swirl generator and the Nozzle outlet of the burner nozzle) and the pressure meter of the air supply (measured a value between one and ten at the nozzle outlet of the burner nozzle). Values between two and five are particularly preferred.

Vorteilhafterweise wird der erfindungsgemäße Brenner nach einem Verfahren gemäß Anspruch 7 betrieben, bei dem im Sauerstoff-Luft-Mischbetrieb ein Impulsstromverhältnis aus Sauerstoff zu Brennstoff zwischen zwei und zehn und das Impulsstromverhältnis aus Luft zu Brennstoff zwischen zehn und zwanzig eingestellt wird. The burner according to the invention is advantageously made using a method operated according to claim 7, in which in the oxygen-air mixing operation Pulse current ratio of oxygen to fuel between two and ten and that Pulse current ratio from air to fuel is set between ten and twenty becomes.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. An exemplary embodiment of the invention will be described in more detail below with the aid of the drawing are explained.

Die einzige Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Luft-Brennerdüse im Längsschnitt. The only drawing shows schematically the structure of an inventive Oxygen-air burner nozzle in longitudinal section.

Die Brennerdüse 1 umfasst im Bereich des Düsenaustritts 2 einen rohrförmigen Luftzuführungskanal 3, der an seiner dem Düsenaustritt 2 entgegengesetzten Ende mit einem Drallerzeuger 5 strömungsverbunden ist. Der Luftführungskanal 3 ist derart ausgebildet, dass seine Länge L - gemessen zwischen Drallerzeuger 5 und Düsenaustritt 2 - das Ein- bis Zehnfache, bevorzugt das Zwei- bis Fünffache (im Ausführungsbeispiel das Zweifache) seines Durchmessers D am Düsenaustritt misst. Die Zuführung von Luft in den Drallerzeuger erfolgt über einen Lufteinlass 6, der strömungstechnisch in hier nicht gezeigter Weise eine Einrichtung zum Vorwärmen der Luft vorgeschaltet sein kann, die jedoch für die Funktionsfähigkeit der Brennerdüse 1 nicht notwendig ist. Vom Lufteinlass 6 aus gelangt die Luft in eine radial außenseitig am Drallerzeuger angeordneten Strömungskammer 4 und strömt von dort aus radial in den Drallerzeuger 5 ein. Bei dem Drallerzeuger 5 handelt es sich um einen Drallerzeuger des "movable Block" Typs, wie er vielfach eingesetzt wird. Ein Drallerzeuger dieses Typs wird beispielsweise von der "International Flame Research Foundtion (IRFR) zu Versuchszwecken eingesetzt und wird im "Online Combustion Centre" (http:/ /www.combustion-centre.ifrf.net) beschrieben. In the area of the nozzle outlet 2 , the burner nozzle 1 comprises a tubular air supply duct 3 , which at its end opposite the nozzle outlet 2 is flow-connected to a swirl generator 5 . The air duct 3 is designed such that its length L - measured between the swirl generator 5 and nozzle outlet 2 - measures one to ten times, preferably two to five times (in the exemplary embodiment twice) its diameter D at the nozzle outlet. Air is fed into the swirl generator via an air inlet 6 , which, in terms of flow technology, can be preceded by a device for preheating the air, which, however, is not necessary for the burner nozzle 1 to function properly. From the air inlet 6 , the air enters a flow chamber 4 arranged radially on the outside of the swirl generator and flows from there radially into the swirl generator 5 . The swirl generator 5 is a swirl generator of the "movable block" type, as is widely used. A swirl generator of this type is used for example by the "International Flame Research Foundtion (IRFR) for experimental purposes and is described in the" Online Combustion Center "(http: / /www.combustion-centre.ifrf.net).

Durch den Luftzuführungskanal 3 und den Drallerzeuger 5 erstreckt sich zentral eine Sauerstoffbrennerlanze 7. Die im Beispiel eingesetzte Sauerstoffbrennerlanze 7 weist einen zentralen Zuleitungskanal 8 für Zündsauerstoff auf, der konzentrisch zu einem Brennstoffzuleitungskanal 9 angeordnet ist. Der Brennstoffzuleitungskanal 9 ist über eine Leitung 13 in hier nicht gezeigter Weise mit einem Vorratsbehälter für Brennstoff, beispielsweise für Erdgas, strömungsverbunden. Radial außenseitig am Brennstoffzuleitungskanal 9 ist eine weitere Sauerstoffzuführung 10 vorgesehen. Der Zuleitungskanal 8 sowie die Sauerstoffzuführung 10 sind über eine Sauerstoffleitung 14 in hier ebenfalls nicht gezeigter Weise mit einem Sauerstoffbehälter strömungsverbunden. Der Zuleitungskanal 8 für Primärsauerstoff und der Brennstoffzuleitungskanal 9 münden in einer Mündungsebene 17 aus, in der auch die Ausmündungen 16 der Zuleitungskanäle 11 der Hauptsauerstoffzuführung 10 liegen. An oxygen burner lance 7 extends centrally through the air supply duct 3 and the swirl generator 5 . The oxygen burner lance 7 used in the example has a central feed channel 8 for ignition oxygen, which is arranged concentrically with a fuel feed channel 9 . The fuel supply channel 9 is connected via a line 13 in a manner not shown here to a reservoir for fuel, for example for natural gas. A further oxygen supply 10 is provided radially on the outside on the fuel supply duct 9 . The supply channel 8 and the oxygen supply 10 are connected in terms of flow to an oxygen tank via an oxygen line 14 , likewise not shown here. The supply duct 8 for primary oxygen and the fuel supply duct 9 open out in an outlet plane 17 , in which the outlets 16 of the supply ducts 11 of the main oxygen supply 10 also lie.

Verschiedene Ausführungsbeispiele für die in Fig. 1 gezeigte Sauerstoffbrennerlanze 7 sind in Bau und Funktionsweise im Detail in der EP 0 663 562 A2 beschrieben, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere kann die Brennstoffzuleitung mit einem Kühlsystem ausgerüstet oder der Zuleitungskanal 8 für Zündsauerstoff axialbeweglich in der Sauerstoffbrennerlanze 7 aufgenommen sein. Auch kann der Sauerstoffzuführung 10 für den Hauptsauerstoff eine Einrichtung zum Vorwärmen des Sauerstoffs vorgeschaltet werden. Various exemplary embodiments of the oxygen burner lance 7 shown in FIG. 1 are described in detail in terms of construction and mode of operation in EP 0 663 562 A2, to which reference is expressly made here. In particular, the fuel supply line can be equipped with a cooling system or the supply duct 8 for ignition oxygen can be accommodated in the oxygen burner lance 7 so that it can move axially. A device for preheating the oxygen can also be connected upstream of the oxygen supply 10 for the main oxygen.

Die Sauerstoffbrennerlanze 7 ist in der Brennerdüse 1 axial verschiebbar zwischen Führungselementen 18, 19 aufgenommen. Bevorzugt verläuft die Mündungsebene 17 des Sauerstoffbrenners in einer Ebene mit der Mündungsöffnung des Luftzuführungskanals 3. Durch eine gezielte axiale Positionierung der Sauerstoffbrennerlanze kann jedoch eine gestufte Verbrennung realisiert werden, durch die NO_X- Emissionen der Brennerdüse 1 deutlich reduziert werden können. The oxygen burner lance 7 is received in the burner nozzle 1 so as to be axially displaceable between guide elements 18 , 19 . The mouth plane 17 of the oxygen burner preferably runs in a plane with the mouth opening of the air supply duct 3 . By means of a targeted axial positioning of the oxygen burner lance, a staged combustion can be realized, by means of which the NO _x emissions of the burner nozzle 1 can be significantly reduced.

Die Brennerdüse 1 wird bevorzugt mit folgenden Parametern betreiben:

- Das Impulsstromverhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff liegt im Bereich zwischen zwei und zehn;
- Das Impulsstromverhältnis von Luft zu Brennstoff liegt im Bereich zwischen zehn und zwanzig;
- Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Luftzuführungskanals L/D liegt zwischen zwei und fünf;
- Die Drallstärke S liegt im Bereich zwischen null und zwei.

The burner nozzle 1 is preferably operated with the following parameters:

- The pulse flow ratio of oxygen to fuel is in the range between two and ten;
- The pulse flow ratio of air to fuel is in the range between ten and twenty;
- The ratio of length to diameter of the air supply duct L / D is between two and five;
- The swirl strength S is in the range between zero and two.

Die Brennerdüse 1 kann sowohl in reinem Luftbetrieb als auch im reinen Sauerstoffbetrieb als auch in einem Mischbetrieb gefahren werden, wobei das Verhältnis zwischen Sauerstoffstrom und Luftstrom beliebig eingestellt werden kann. In jedem Fall ist die an der Brennerdüse 1 entzündete Flamme stabil. Durch die Einstellbarkeit der Drallstärke am Drallgenerator 5 können die Flammenparameter, wie etwa Länge oder Form der Flamme, bei jedem Mischungsverhältnis von Luft zu Sauerstoff in einem weiten Bereich variiert werden. Beispielsweise kann die Form und Länge einer reinen Luftflamme durch die Wahl einer geeigneten Drallstärke der Länge und Form einer reinen Sauerstoffflamme angenähert werden. Die Luft kann dabei kalt oder vorgewärmt zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Brennersystem kann in allen Herd- und Drehrohröfen vorteilhaft eingesetzt werden und für alle flüssigen und gasförmigen Brennstoffe ausgeführt werden. Bezugszeichenliste 1 Brennerdüse
2 Düsenaustritt
3 Luftzuführungskanal
4 Strömungskammer
5 Drallerzeuger
6 Lufteinlass
7 Sauerstoffbrennerlanze
8 Zuleitungskanal für Zündsauerstoff
9 Brennstoffzuleitungskanal
10 Hauptsauerstoffzuführung
11 Zuleitungskanal
12 -
13 Brennstoffleitung
14 Sauerstoffleitung
15 -
16 Ausmündungen
17 Mündungsebene
18 Führungselement
19 Führungselement
The burner nozzle 1 can be operated both in pure air mode and in pure oxygen mode as well as in mixed mode, the ratio between oxygen flow and air flow being able to be set as desired. In any case, the flame ignited at the burner nozzle 1 is stable. Due to the adjustability of the swirl strength on the swirl generator 5 , the flame parameters, such as length or shape of the flame, can be varied within a wide range with any mixing ratio of air to oxygen. For example, the shape and length of a pure air flame can be approximated by the choice of a suitable swirl strength of the length and shape of a pure oxygen flame. The air can be supplied cold or preheated. The burner system according to the invention can be used advantageously in all hearth and rotary kilns and can be designed for all liquid and gaseous fuels. LIST OF REFERENCES 1 burner
2 nozzle outlet
3 air supply duct
4 flow chamber
5 swirl generators
6 air intake
7 oxygen burner lance
8 supply channel for ignition oxygen
9 fuel supply duct
10 main oxygen supply
11 supply duct
12 -
13 fuel line
14 oxygen line
15 -
16 mouths
17 estuary level
18 guide element
19 guide element

Claims

Combined air-oxygen burner with a burner nozzle ( 1 ) which comprises an oxygen burner lance ( 7 ) accommodated in an air supply ( 3 ) with at least one fuel supply ( 9 ) and at least one oxygen supply ( 8 , 10 ), the air supply ( 3 ) is fluidly connected to a swirl generator ( 5 ) with adjustable swirl strength.

2. Burner according to claim 1, characterized in that the swirl generator ( 5 ) is a swirl generator of the "movable block" type.

3. Burner according to claim 1 or 2, characterized in that the swirl strength S generated on the swirl generator ( 5 ) is adjustable between the values S = 0 and S = 2.

4. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel supply ( 9 ) and / or the air supply ( 3 ) and / or the oxygen supply ( 8 , 10 ) are arranged substantially coaxially to one another.

5. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen burner lance ( 5 ) in the burner nozzle ( 1 ) is received axially displaceably.

6. Burner according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the length (L) of the air supply ( 3 ), measured between the swirl generator ( 5 ) and the outlet ( 2 ) of the burner nozzle ( 1 ), and the diameter ( D) the air supply ( 3 ) at the nozzle outlet ( 2 ) has a value between 1 (one) and 10 (ten), preferably between 2 (two) and 5 (five).

7. Procedure for operating a mixed oxygen-air burner one of the preceding claims, characterized in that in the oxygen-air mixed mode the pulse current ratio Fuel and oxygen between 2 (two) and 10 (ten) as well as that Pulse current ratio of air and fuel is set between 10 and 20 becomes.