DE102005031019A1 - Method for ultrasonic injection of an oxidizing agent into a melting furnace - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schmelzofens, bei dem Einsatzstoffe, Brennstoff, und wenigstens ein Oxidationsmittel einer Schmelzzone zugeführt werden, wobei das Oxidationsmittel mittels mehrerer, um den Umfang des Schmelzofens in vorzugsweise gleichen Winkelabständen angeordneter Injektoren mit Überschallgeschwindigkeit in die Schmelzzone eingedüst wird und das Eindüsen zumindest in einem Verfahrensabschnitt durch eine zeitliche Abfolge von Fließ- und Ruhephasen (Pulse) der einzelnen Injektoren erfolgt.The Invention relates to a method for operating a melting furnace, in the starting materials, fuel, and at least one oxidizing agent fed to a melting zone be, wherein the oxidizing agent by means of several, around the circumference the melting furnace at preferably equiangularly arranged injectors at supersonic speed injected into the molten zone will and injecting at least in a process section by a time sequence from flow and resting phases (pulses) of the individual injectors takes place.
Ein
bekanntes Verfahren zur Ultraschall-Eindüsung eines Oxidationsmittels
in einen Kupolofen wird in der
Die Regelung der über eine Laval-Düse in die Schmelzzone eingebrachten Sauerstoffmenge ist jedoch problematisch. Aus physikalischen Gründen ist es nicht möglich, die Sauerstoffmenge herunterzuregeln, ohne die Strömungsgeschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit oder darunter zu drosseln. Dies führt dazu, daß bei einer für einen Betriebszustand des Schmelzofens ausgelegten vorgegebenen Bestückung mit Sauerstoff-Injektionslanzen der Sauerstoffeintrag in den Schmelzofen nicht verringert werden kann, ohne die Überschallgeschwindigkeit und damit deren Wirkung hinsichtlich der Eindringtiefe des Sauerstoffstromes aufzuheben.The Regulation of over a Laval nozzle However, introduced into the molten zone amount of oxygen is problematic. For physical reasons it is impossible, to reduce the amount of oxygen without the flow velocity to throttle to sound velocity or below. This leads to, that at one for an operating condition of the furnace designed predetermined assembly with oxygen injection lances the oxygen input into the furnace can not be reduced without the supersonic speed and thus their effect on the penetration depth of the oxygen stream repealed.
In
der
Das Verfahren hat sich in der Praxis gut bewährt. Beim Einsatz in hinsichtlich ihrer Sauerstoffeintragskapazität überdimensionierten Öfen sind mitunter jedoch Ruhephasen erforderlich, deren Gesamtdauer 50% der Dauer des jeweiligen Verfahrensabschnitts deutlich übersteigt. Dies führt zu einer ungünstigen Beeinflussung des Schmelzergebnisses.The Method has proven well in practice. When used in terms of their oxygen input capacity oversized ovens are Sometimes, however, periods of rest required, the total duration of 50% of Duration of the respective process section significantly exceeds. this leads to to an unfavorable Influencing the melt result.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels dem der Schmelzbetrieb in einem Schmelzofen, insbesondere in einem Schachtofen, der mit mehreren Injektoren zum Eindüsen eines Oxidationsmittels mit Überschallgeschwindigkeit ausgestattet ist, wohldosiert und gleichmäßig gestaltet werden kann.Of the The invention is therefore based on the object of specifying a method by means of the melt operation in a melting furnace, in particular in a shaft furnace, with several injectors for injecting a Oxidant at supersonic speed is equipped, well dosed and can be uniform.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit von einer vorgegebenen oder laufend ermittelten zuzuführenden Oxidationsmittelmenge nach einem vorgegebenen Programm das Verhältnis aus Fließ- und Ruhephase der Injektoren sowie die Anzahl der mit Ultraschall eindüsenden Injektoren derart variiert wird, dass ein stetiger Verlauf der mit Ultraschall zugeführten Oxidationsmittelmenge sowie ein die Schmelzzone im wesentlichen gleichmäßig abdeckendes Strömungsbild erreicht wird.These Task is based on the method described above according to the invention thereby solved, that in dependence from a predetermined or continuously determined to be supplied Oxidant quantity according to a given program the ratio of flow and resting phase of the injectors as well as the number of ultrasound eindüsenden Injectors is varied so that a steady course of with Ultrasound supplied Oxidant as well as the melting zone substantially evenly covering flow pattern is reached.
Erfindungsgemäß wird also die Zufuhr des Oxidationsmittels, das mit Ultraschall in die Schmelzzone eingebracht wird, nach einem Programm gesteuert. Sinkt die Menge des insgesamt mit Ultraschall zuzuführenden Oxidationsmittels unter einen vom Programm festgelegten Wert wird ein oder mehrere Injektoren abgeschaltet, wobei ein „abgeschalteter" Injektor im hier verstandenen Sinne dem Schmelzofen gar kein Oxidationsmittel oder nur noch Oxidationsmittel mit Unterschallgeschwindigkeit zuführt. Entsprechendes gilt für den Fall, das der Wert des insgesamt mit Ultraschall zuzuführenden Oxidationsmittels einen bestimmten, vom Programm vorgegebenen Wert überschreitet: (Dann werden ein oder mehrere Injektoren „zugeschaltet", führen also nunmehr Oxidationsmittel mit Ultraschall zu. Beim Betrieb des Schmelzofens müssen stets zwei Bedingungen erfüllt sein: Zum einen soll der Verlauf der mit Ultraschall zugeführten Oxidationsmittelmenge stetig sein, d.h. gleichzeitig mit der Änderung der Anzahl der mit Ultraschall eindüsenden Injektoren soll die Oxidationsmittelzufuhr über die hiernach mit Ultraschall eindüsenden Injektoren über eine entsprechende Änderung des Verhältnisses aus Fließ- und Ruhephase derart eingestellt werden, dass die insgesamt mit Ultraschall zugeführte Oxidationsmittelmenge der für diesen Zeitpunkt erforderlichen entspricht. Zum anderen soll ein die Schmelzzone gleichmäßiges abdeckendes Strömungsbild erreicht werden, d.h. die mit Ultraschall eindüsenden Injektoren sind jeweils derart am Schmelzofen angeordnet, dass eine gleichmäßige Beaufschlagung der Schmelzzone mit Oxidationsmittel gewährleistet wird.According to the invention, therefore, the supply of the oxidizing agent, which with ultrasound in the melting zone is introduced, controlled by a program. If the total amount of oxidizing agent to be supplied with ultrasound falls below one of the values specified by the program, one or more injectors will be switched off, with the "shut off" injector not providing the oxidizing agent or only oxidizing agent with subsonic speed to the smelting furnace in the sense understood here in that the value of the total oxidizing agent to be supplied by ultrasound exceeds a certain value specified by the program: (Then one or more injectors are "switched on", ie now they supply oxidizing agents with ultrasound.) Two conditions always have to be fulfilled during operation of the melting furnace: one is the course of the ultrasound-supplied amount of oxidant to be steady, ie, simultaneously with the change in the number of injecting with ultrasound injectors, the oxidant supply via the hereafter injecting with ultrasound injectors via egg ne corresponding change in the ratio of flow and rest phase can be adjusted so that the total supplied with ultrasound oxidant amount of that required for this time. On the other hand, a uniform flow pattern covering the melting zone is to be achieved, ie the injectors injecting ultrasound are in each case arranged on the melting furnace in such a way that uniform contact with the melting zone with oxidizing agent is ensured.
Die
Menge an Oxidationsmittel, die dem Schmelzofen pro Zeiteinheit mit
Ultraschall zugeführt
wird, lässt
sich durch folgende Formel beschreiben: mit
Dabei ist
- D:
- Menge des in die Schmelzzone mit Ultraschall eingeleiteten Oxidationsmittels pro Zeiteinheit
- Tieff:
- Effektive Dauer der Fließphasen der Injektoren
- Tceff:
- Effektive Dauer der Ruhephasen der Injektoren
- N:
- Gesamtzahl an Injektoren
- Nc:
- Zahl der nicht zugeschalteten Injektoren
- Q:
- maximaler Fluss durch einen Injektor pro Zeiteinheit
- D:
- Amount of oxidant introduced into the molten zone per unit time
- T heff :
- Effective duration of the flow phases of the injectors
- T ceff :
- Effective duration of resting phases of the injectors
- N:
- Total number of injectors
- N c :
- Number of unconnected injectors
- Q:
- maximum flow through one injector per unit time
Als „effektive Dauer der Fließphasen" bzw. „effektive Dauer der Ruhephasen" soll dabei die gegebenenfalls auf einen oder mehrerer Pulse verteilte Gesamtdauer verstanden werden, während der der Injektor geöffnet, also in Fließphase, oder geschlossen, also in Ruhephase ist. Während einer Fließphase wird das Oxidationsmittel mit Überschallgeschwindigkeit in die Schmelzzone eingedüst und während einer Ruhephase wird das Eindüsen auf eine Geschwindigkeit unterhalb von Überschallgeschwindigkeit gedrosselt oder gänzlich abgestellt. Der Einstellbereich für die Menge des in die Schmelzzone mit Ultraschall eingedüsten Oxidationsmittels bewegt sich zwischen Null (bei einer gegen Null gehenden Dauer der Fließphase) und der maximalen Auslegemenge aller eingesetzten Injektoren (bei Volllastbetrieb aller Injektoren und einer gegen Null gehenden Dauer der Ruhephase). Somit lässt sich die Menge des in die Schmelzzone mit Ultraschall eingedüsten Oxidationsmittels in weitem Rahmen variieren. In Abhängigkeit von der erforderlichen Gesamtmenge an mit Ultraschall zuzuführendem Oxidationsmittel pro Zeiteinheit kann die Zahl der zugeschalteten Injektoren und die jeweilige effektive Öffnungsdauer nach obiger Formel (1) leicht berechnet werden. Die Formel (1) bietet daher eine gute Grundlage für eine automatisierte Steuerung der Injektoren. Durch Angabe der pro Zeiteinheit mit Ultraschall zuzuführenden Menge an Oxidationsmittel kann mittels eines Computerprogramms die Zahl der zugeschalteten Injektoren sowie der effektiven Dauern der Fließ- und Ruhephasen bestimmt werden. In einem solchen Computerprogramm können auch empirisch erfasste Werte über die für die jeweilige Einstellung optimale Pulsfrequenz und ggf. eine optimierte Abfolge verschiedener Pulse sowie über und den optimalen Arbeitsbereich der eingesetzten Injektoren einbezogen werden.As "effective Duration of the flow phases "or" effective Duration of rest periods "should while optionally distributed to one or more pulses Total duration to be understood while the injector opens, so in flow phase, or closed, that is in the resting phase. During a flow phase is the oxidant at supersonic speed injected into the molten zone and while a rest phase is the injection throttled to a speed below supersonic speed or completely switched off. The adjustment range for the amount of in the melting zone injected with ultrasound Oxidant moves between zero (one to zero continuous duration of the flow phase) and the maximum design quantity of all injectors used (at Full load operation of all injectors and a zero duration the resting phase). Thus lets The amount of oxidized into the molten zone with ultrasound oxidant vary widely. Depending on the required Total amount of oxidant to be supplied by ultrasound per Time unit, the number of connected injectors and the respective effective opening time be easily calculated according to the above formula (1). The formula (1) offers therefore a good basis for an automated control of the injectors. By specifying the pro Time unit with amount of oxidizing agent to be supplied with ultrasound can by means of a computer program the number of switched Injectors and the effective duration of the flow and rest phases determined become. In such a computer program can also empirically recorded Values over the for the respective setting optimal pulse rate and possibly an optimized Sequence of different pulses and over and the optimal working range the injectors used are included.
Durch das Wechselspiel von Änderung des Verhältnisses aus Fließ- und Ruhephase einerseits und Änderung der Anzahl der mit Ultraschall eindüsenden Injektoren andererseits wird der Zustrom an Oxidationsmittel in die Schmelzzone sowohl zeitlich als auch räumlich optimiert. Der Oxidationsmittelstrom wird sehr genau beeinflusst, ohne dass dadurch die Ultraschalleindüsung beeinträchtigt wird. Zu lange Ruhephasen, während derer kein Oxidationsmittel mit Ultraschall eingedüst wird, werden ebenso vermieden wie eine ungleichförmige Beaufschlagung der Schmelzzone. Der Ausstoß an Schadstoffen wie NOx und CO wird deutlich reduziert. Ebenso kann der Materialverschleiß am Ofen, wie auch der Verbrauch an Brennstoffen, Koks und elektrischer Energie gesenkt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Schmelzprozesse geeignet, bei denen unter Verbrennung eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel in einem Schmelzofen eine Schmelzzone erzeugt wird, in der ein Einsatzstoff erschmolzen wird. Hierfür kommen die Schachtöfen in Frage, insbesondere Kupolöfen, wie Heißwind-. Warmwind-, Kaltwind-, Sekundärwind-, Langzeit-, oder Wechselöfen. Das Einsatzmaterial wird dem Schmelzofen zum Beispiel in Form von Stahlschrott, Gußbruch, Roheisen oder Spänen zugegeben. Es werden auch nichtmetallische Zuschlagstoffe wie Koks, Siliziumcarbid, Ferrosilizium, Ferromangan, Kalk und Kies eingesetzt. Beim Oxidationsmittel handelt es sich bevorzugt um Sauerstoff. Zusätzlich kann ein weiteres Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, in die Schmelzzone zeitlich konstant oder ebenfalls pulsierend eingebracht werden.The interplay of change in the ratio of flow and quiescent phase on the one hand and change in the number of ultrasonically injecting injectors on the other hand, the flow of oxidant is optimized in the melting zone both temporally and spatially. The oxidant flow is influenced very accurately, without affecting the ultrasound injection. Too long periods of rest, during which no oxidizing agent is injected with ultrasound, are avoided as well as a non-uniform application of the melting zone. The emission of pollutants such as NO x and CO is significantly reduced. Likewise, the material wear on the furnace, as well as the consumption of fuels, coke and elec energy can be lowered. The method according to the invention is particularly suitable for melting processes in which a melting zone is produced by burning a fuel with an oxidizing agent in a melting furnace in which a feedstock is melted. For this purpose, the shaft furnaces come into question, especially cupolas, such as hot blast. Warm wind, cold wind, secondary wind, long-term, or rotary kilns. The feed is added to the furnace, for example, in the form of steel scrap, cast broke, pig iron or chips. It also uses non-metallic aggregates such as coke, silicon carbide, ferrosilicon, ferromanganese, lime and gravel. The oxidizing agent is preferably oxygen. In addition, a further oxidizing agent, for example air, can be introduced into the melting zone in a time-constant or likewise pulsating manner.
Vorteilhafterweise
wird die Zufuhr des Oxidationsmittels derart geregelt, dass dann,
wenn die Differenz zwischen der maximal möglichen Leistung aller mit
Ultraschall eindüsenden
Injektoren und der mit Ultraschall zuzuführenden Oxidationsmittelmenge
der maximalen Leistung eines einzelnen Injektors entspricht, die
Zahl der mit Ultraschall eindüsenden
Injektoren um eins verkleinert und dann, wenn die mit Ultraschall
zuzuführende
Oxidationsmittelmenge die maximal mögliche Leistung aller mit Ultraschall
eindüsenden
Injektoren übersteigt,
die Zahl der mit Ultraschall eindüsenden Injektoren um eins vergrößert wird,
wobei jeweils anschließend die
mit Ultraschalleindüsung
zuzuführende
Oxidationsmittelmenge gleichmäßig auf
die mit Ultraschall eindüsenden
Injektoren verteilt wird. Bei Volllast arbeiten alle also Injektoren
des Schmelzofens im kontinuierlichen Betrieb. Ist es erforderlich,
die Zufuhr an mit Ultraschall eingedüstem Oxidationsmittel zu reduzieren,
gehen zunächst
alle Injektoren in einen pulsweisen Betrieb über, d.h. alle Injektoren werden
in einer Abfolge aus Fließphase
und Ruhephase betreiben, entsprechend dem in der
Vorzugsweise erfolgt die Abschaltung derart, dass die verbliebenen zugeschalteten Injektoren gleichmäßig um den Umfang des Schmelzofens verteilt sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die Injektoren asymmetrisch am Schmelzofen betrieben werden und nach einer nicht allzu langen Zeitdauer ein Wechsel der zugeschalteten Injektoren erfolgt. Da Ziel ist dabei in jedem Fall, die Schmelzzone des Schmelzofens möglichst gleichmäßig mit Sauerstoff zu beaufschlagen.Preferably the shutdown is such that the remaining switched Injectors evenly around the Scope of the furnace are distributed. However, it is also possible that the injectors are operated asymmetrically at the melting furnace and after a not too long time a change of switched on Injectors takes place. In any case, the target is the melting zone of the melting furnace as evenly as possible To apply oxygen.
Arbeiten die zugeschalteten Injektoren im Pulsbetrieb, sieht eine abermals vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fließ- und Ruhephasen der zugeschalteten Injektoren derart aufeinander abgestimmt sind, dass die zugeschalteten Injektoren alternierend zueinander angesteuert werden. Damit wird auch in zeitlicher Hinsicht eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung der Schmelzzone mit Oxidationsmittel erzielt.Work the connected injectors in pulsed mode, sees one again advantageous embodiment of the invention provides that the flow and rest phases the connected injectors are coordinated with each other, that the connected injectors are driven alternately to each other become. This is also in terms of time a very uniform admission achieved the melting zone with oxidizing agent.
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
In
den oberen Teil des Schachts eines Kupolofens werden kontinuierlich
Stahlschrott, Späne,
Roheisen, Kreislaufmaterial und nichtmetallische Zuschlagstoffe
wie Koks und Kalk zugegeben. Im unteren Bereich des Schachtes wird
Luft – der
sogenannte Ofenwind – über einen
Windring und von dort in die Schmelzzone eingeführt. Die Zufuhrrate an Luft
beträgt
konstant 10 000 m3/h. Im unteren Teil des
Ofenschachtes sind um die Schmelzzone herum sechs, untereinander
baugleiche Sauerstoff- Injektionslanzen
in gleichen Winkelabständen
angeordnet. Mittels der Sauerstoff-Injektionslanzen wird technischer Sauerstoff
mit Überschallgeschwindigkeit
in die Schmelzzone eingedüst.
Durch diese Eindüsung
ergibt sich eine große
Eindringtiefe des Sauerstoffstromes, so daß die Temperatur in der Schmelzzone
erhöht
und die Schmelzleistung des Kupolofens gesteigert wird. In die Sauerstoff-Injektionslanzen
sind jeweils Laval-Düsen
eingesetzt.The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment:
Steel scrap, shavings, pig iron, recycled material and non-metallic aggregates such as coke and lime are continuously added to the upper part of the shaft of a cupola furnace. In the lower part of the shaft, air - the so-called furnace wind - is introduced via a wind ring and from there into the melting zone. The supply rate of air is constantly 10 000 m 3 / h. In the lower part of the furnace shaft around the melting zone around six, with each other identical oxygen injection lances are arranged at equal angular intervals. By means of the oxygen injection lances, technical oxygen is injected at supersonic velocity into the molten zone. By this injection results in a large penetration depth of the oxygen stream, so that the temperature increases in the melting zone and the melting performance of the cupola is increased. In the oxygen injection lances each Laval nozzles are used.
Die Regelung der Sauerstoffzufuhr erfolgt folgendermaßen: Im Volllastbetrieb erfolgt die Zufuhr über sämtliche Injektoren. Bei einer Reduktion der Sauerstoffanforderung gehen die Injektoren in einen pulsweisen Betrieb über, d.h. die Zuführung des Sauerstoffs erfolgt bei diesen Lanzen in diskreten Zeitabständen in Form einer Abfolge von Fließphase und Ruhephase, deren Dauer sich aus der jeweiligen Sauerstoffanforderung ergibt. Je geringer der Sauerstoffbedarf ist, desto länger ist die Dauer der Ruhephasen der Injektoren. Um die Sauerstoffzuführung möglichst gleichmäßig zu gestalten, werden die Injektoren abwechselnd in Pulsen unterschiedlicher Länge gefahren, wobei jedoch darauf geachtet wird, dass die Injektion stets im Wesentlichen symmetrisch zur Mittelachse des Ofens erfolgt.The regulation of the oxygen supply takes place as follows: In full load operation, the supply takes place via all injectors. With a reduction of the oxygen requirement, the injectors go into a pulse-wise operation, ie the supply of oxygen takes place at these lances at discrete time intervals in the form of a sequence of flow phase and resting phase, the duration of which results from the respective oxygen requirement. The lower the oxygen requirement, the longer the duration of the rest periods of the injectors. To the To make oxygen delivery as uniform as possible, the injectors are driven alternately in pulses of different lengths, but care is taken that the injection always takes place substantially symmetrically to the central axis of the furnace.
Wird die Sauerstoffanforderung um einen Wert reduziert, der der Leistung eines Injektors – oder eines ganzzahligen Vielfachen davon – entspricht, so werden ein oder mehrere Injektoren abgeschaltet, wobei die Abschaltung in der Weise erfolgt, dass die noch zugeschalteten Injektoren die Schmelzzone des Schachtofens möglichst gleichmäßig beaufschlagen. Gleichzeitig verkürzen sich mit Abschaltung des Injektors oder der Injektoren die Ruhephasen der zugeschalteten Injektoren entsprechend, um einen stetigen Übergang der Oxidationsmittelmengenzufuhr sicher zu stellen. Die zugeschalteten Injektoren werden in gleicher Weise wie oben beschrieben betrieben. In diesem Betriebszustand ist es zweckmäßig, die zugeschalteten Injektoren alternierend anzusteuern. Um eine gleichmäßige Nutzung der Injektoren sicherzustellen, werden in nachfolgenden Verfahrensschritten oder beim Aufschmelzen einer nachfolgenden Charge bevorzugt die während des beschriebenen Verfahrensschritts abgeschalteten Injektoren zugeschaltet, so dass jeweils ein Wechsel der zuzuschaltenden Injektoren erfolgt.Becomes the oxygen requirement is reduced by a value of the power an injector - or an integer multiple of it - corresponds, so become one or several injectors shut off, the shutdown in the This is done so that the still switched injectors the melting zone the shaft furnace if possible apply uniformly. Simultaneously shorten with shutdown of the injector or injectors, the resting phases the switched injectors accordingly, to a steady transition to ensure the supply of oxidant. The switched on Injectors are operated in the same way as described above. In this operating state, it is expedient, the connected injectors to drive alternately. To ensure even use of the injectors be ensured in subsequent steps or during the melting of a subsequent batch, those during the described method step switched off injectors, so that in each case a change of zuzuschaltenden injectors takes place.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20130830 |