DE102007032375A1

DE102007032375A1 - Vormischungsreduktionsgaserzeuger

Info

Publication number: DE102007032375A1
Application number: DE102007032375A
Authority: DE
Inventors: Matthias Köhler; Christian Reuther; Manfred Dr. Schingnitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2009-01-15

Abstract

Für einen Hochofen, bei dem Heißluft und sauerstoffangereicherte Luft in den Unterofen (Gestell) injiziert wird, wird vorgeschlagen, einen Vormischungsreduktionsgaserzeuger im oberen Teil des Hochofens anzuordnen. In dem Vormischungsreduktionsgaserzeuger erfolgt eine Vormischung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel zu einem brennfähigen Gemisch, das über eine eine Vielzahl von Bohrungen aufweisende gut wärmeleitende Austrittsplatte in den Hochofen abgebbar ist. Besondere Ausgestaltungen betreffen Mischeinrichtungen, die eine verbesserte Homogenität des Gemisches bewirken.

Description

Der Anmeldungsgegenstand betrifft einen Reduktionsgaserzeuger mit Vormischung zur Einspeisung von Reduktionsgas in einen Hochofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Beim Betrieb eines Hochofens wird üblicherweise O₂-angereicherte Heißluft, teilweise gemischt mit Öl oder Kohlenstaub in den Hochofen eingeblasen. Dies geschieht üblicherweise im unteren Teil des Ofens, dem sogenannten Gestell. Das derzeitige Hochofenverfahren mit Injektion von Heißluft und sauerstoffangereicherter Luft in den Unterofen (Gestell) bietet kein weiteres Potential für eine Minderung des Reduktionsmittelverbrauches (z. B. Koks oder ähnl.).
Zur Verbesserung der Effektivität des Hochofens in Form von Reduktionsmitteleinsparung ist es vorteilhaft, zusätzliches Reduktionsgas in weiter oben liegende Teile des Hochofens einzublasen. Vorteilhafter Weise wird dieses Reduktionsgas an der Einblasstelle mittels eines Reduktionsgaserzeugers (Brenner) erzeugt.
Bei bislang durchgeführten Vorversuchen zeigte sich, dass kein vollständiger Umsatz des Brennstoffes erfolgte. Bisher nachgewiesen werden konnte nur ein Umsatz von ca. 85%. Eine mögliche Erklärung dafür könnte darin gesehen werden, dass die zur Erzeugung des Reduktionsgases zur Verfügung stehenden Brennkammern zur klein sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reduktionsgaserzeuger derart auszugestalten, dass die Umsatzrate signifikant erhöht und eine Anpassbarkeit an die gewünschten Ausströmbedingungen, auch bei unterschiedlichen Medienmengen, ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoff mit dem Sauerstoff bereits im Reduktionsgaserzeuger vorgemischt, womit sich die Umsatzgeschwindigkeit erhöht. Damit kann die zur Verfügung stehende Brennkammer besser ausgenutzt werden.
Die Austauschbarkeit von Austrittsplatten (7) mit unterschiedlichen Anzahlen und Durchmessern ihrer Bohrungen bringt eine Anpassbarkeit des Vormischreduktionsgaserzeugers an die gewünschten Ausströmbedingungen, auch bei unterschiedlichen Medienmengen, mit sich.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Anmeldungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Anmeldungsgegenstand wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Vormischungsreduktionsgasbrenner und
2 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Vormischungsreduktionsgasbrenner.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente.
Der erfindungsgemäße Reduktionsgaserzeuger weist ein in der Brennerachse angeordnetes Rohr (9) auf, das über den Stutzen (8) mit Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, gespült wird. Dieses Rohr (9) dient einmal als optischer Einblick für die aufgesetzte Flammenüberwachung (10) zum Erkennen der Brennerflamme. Die Flammenüberwachungseinrichtung (10) am Kopf des Generators ist durch eine spezielle Glasplatte zwischen Flammenüberwachung (10) und dem Rohr (9) druck- und gasdicht vom Reaktionsraum getrennt.
Die Zuführung des Brennstoffes erfolgt über den Stutzen (3) in den Ringkanal (4), der durch die Rohrwand des Innenrohres (9) und die Außenhülle um den Ringkanal (4) gebildet wird. Der Ringkanal (4) ist auf der dem Hochofen abgewandten Seite durch einen Deckel, der einen Stutzen (11) aufweist, verschlossen.
Die Zuführung des Oxidationsmittels erfolgt durch den Stutzen (1) und einen Ringraum (18), der den Ringkanal (4) konzentrisch umschließt. Die Wand zwischen dem Ringkanal (4) zur Brennstoffzuführung und dem Ringraum (18) zur Oxidationsmittelzuführung weist, in einem vom Hochofen abgewandten Bereich, eine oder mehrere Durchführungen respektive Bohrungen (2) auf. In dem Ringkanal (4) mischen sich Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff. Das zündfähige Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoff strömt dann in Richtung Austrittsplatte mit Austrittsöffnungen (7).
Zwischen den Durchführungen (2) und der Austrittsplatte (7) ist in dem Ringkanal (4) mindestens eine Mischeinrichtung (5, 6), die eine einem Spiralabschnitt mit der Brennerachse als Spiralachse angepasste Form aufweist und an den angrenzenden Rohrwandungen abschließt, angeordnet.
Sind mehrere Mischeinrichtungen angeordnet, können diese entlang der Brennerachse um einen vorgegebenen Versatz gegeneinander beabstandet angeordnet sein.
Sind mehrere Mischeinrichtungen angeordnet, können diese auf der Brennerachse um einen vorgegebenen Winkelversatz gegeneinander verdreht angeordnet sein. Für beispielsweise vier Mischeinrichtungen werden diese auf der Brennerachse um einen Winkelversatz von 90° verdreht angeordnet.
Sind mehrere Mischeinrichtungen angeordnet, können diese mit zueinander entgegengesetztem Spiralsinn angeordnet sein.
In dem Ausführungsbeispiel nach 2 sind zwei Mischeinrichtungen (5) und (6) mit zueinander entgegengesetztem Spiralsinn um 180° gegeneinander verdreht sowie um einen bestimmten Versatz auf der Brennerachse angeordnet.
Das Gemisch wird also innerhalb des Ringkanales (4) durch die statischen Mischeinrichtungen (5) und (6) geleitet, um eventuelle Strähnenbildung auszuschließen und eine intensive Medienmischung (Brennstoff/Sauerstoff) zu sichern.
Nach den Mischeinrichtungen (5) und (6) trifft der zündfähige Gemischstrom auf die Austrittsplatte (7), die mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen ist. über diese Bohrungen tritt das Brenngas-/Sauerstoffgemisch in die Brennkammer ein und setzt sich hier in Form einer Flammenreaktion um. Die Austrittsplatte (7) dient gleichzeitig als Flammenrückschlagsicherung und ist deshalb vorzugsweise aus Kupfer oder mit einer separaten Wasserkühlung ausgeführt und mit vielen kleinen Bohrungen versehen, durch die der zündfähige Gemischstrom mit hoher Geschwindigkeit austritt. Die Kühlwirkung an der Austrittsplatte (7) beruht auf der Wärmeabführung an das Kühlwasser und gleichzeitig durch die Kühlwirkung des anströmenden kalten Gemisches durch die Bohrungen.
Die Austrittsplatte (7), die eine zentrale Ausnehmung für das Rohr (9) aufweist, ist mittels Schraubverbindung mit dem Ringkanal (4), der auch als Gemischrohr bezeichnet werden kann, verbunden und kann damit bei Bedarf ausgetauscht werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit, den Vormischreduktionsgaserzeuger durch Austausch der Austrittsplatte (7) auch bei unterschiedlichen Medienmengen immer unter gleichen Ausströmbedingungen zu betreiben.
Zum Schutz der Austrittsplatte (7) und gleichzeitig zur Abführung der eingetragenen Wärme infolge hoher thermischer Belastung, ist um den vorderen Teil eine Wasserkühlkammer (12) angeordnet. Durch die spezielle halbkugelförmige Gestaltung der Stirnfläche der Kühlkammer wird diese als Dichtfläche genutzt. Zur Abdichtung des Vormischreduktionsgaserzeugers am Hochofen gegen austretendes CO-haltiges Hochofengas ist in die Kühlkammer eine Nut (13) zur Aufnahme eines Dichtringes (14) eingearbeitet.
Zur Temperaturüberwachung des Gemisches in dem Ringkanal (4) hinter der Austrittsplatte (7) wird über den Stutzen (11) ein Thermoelement eingeführt und entlang des Rohres (9) bis zum Überwachungsraum (16), der sich in dem Ringkanal (4) nahe der Austrittsplatte (7) befindet), geführt.
Die Halterungen (15) an der Kühlkammer dienen als Befestigungsvorrichtung des Vormischreduktionsgaserzeugers am Hochofen.
Die Erfindung liegt in einer beliebigen Kombination von:

– Vormischung von Brennstoff und Sauerstoff innerhalb des Reduktionsgaserzeugers
– Sicherung des Gemischzuführungsrohres vor Flammenrückschlag durch eine spezielle Flammenrückschlagsicherung (Austrittsplatte 7)
– Ausführung der Austrittsplatte (7) mit Schraubverbindung (17) um eine lösbare Verbindung zum Austausch der Austrittsplatte (7) um bei unterschiedlichen Medienmengen immer gleiche Ausströmbedingungen zu sichern
– Temperaturüberwachung des Gemischraumes mittels Thermoelement (16), das über den Stutzen (11) eingeführt wird.
– Flammenrückschlagsicherung durch schnelle Wärmeableitung an das Kühlwasser in der umhüllenden Wasserkühlkammer (12) und/oder Ausführung der Düse aus Kupfermaterial
– Ausnutzung der kalten Medienströmung durch viele Öffnungen in der Austrittsplatte (7) verbunden mit hohen Mediendurchströmungsgeschwindigkeiten
– Intensive Medienmischung durch Einbau von statischen Mischeinrichtungen (5 und 6) im Zuführungsrohr (4)
– optische Flammenüberwachung (10) durch ein zentrales, inertgasgespültes Rohr (9)
– der Erzeugung eines zündfähigen Brenngas-Sauerstoff-Gemisches innerhalb des Reduktionsgaserzeugers mittels Einleitung des Sauerstoffes über Bohrungen (2) in den Brenngasstrom.

1: Stutzen zur Zuführung des Oxidationsmittels
2: Bohrungen zur Einleitung des Oxidationsmittels in den Brenngasstrom
3: Stutzen zur Zuführung des Brennstoffes
4: Ringkanal, Gemischrohr
5: Statischer Mischer 1
6: Statischer Mischer 2
7: Ausströmplatte mit Austrittsbohrungen
8: Stutzen zur Zuführung des Inertgases
9: Rohr für optischen Einblick
10: Flammenüberwachungseinrichtung
11: Stutzen zur Einführung eines Thermoelementes
12: Kühlkammer
13: Nut zur Aufnahme eines Dichtringes
14: Dichtring
15: Halterungen zur Befestigung am Hochofen
16: Thermoelementspitze
17: Schraubverbindung
18: Ringraum für Oxidationsmittel

Claims

Reduktionsgaserzeuger mit Vormischung zur Einspeisung von Reduktionsgas in einen Hochofen, aufweisend – ein zentrales Inertgaszuführungsrohr (9) für eine optische Flammenüberwachung (10), – ein das Inertgaszuführungsrohr (9) konzentrisch umschließender Ringkanal (4) zur Bildung und Zuführung eines Brennstoff-Oxidationsmittelgemischs, – einen den Ringkanal (4) konzentrisch umschließenden Ringraum zur Oxidationsmittelzuführung (18). – mindestens eine Durchführung (2) in der Rohrwand zwischen dem Ringkanal zur Brennstoffzuführung (4) und dem Ringraum zur Oxidationsmittelzuführung (18) zwecks der Erzeugung eines zündfähigen Brenngas-Sauerstoff-Gemisches in dem Ringkanal (4), – eine den Ringkanal (4) zum Hochofen abschließende, austauschbar angeordnete Austrittsplatte (7) mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für das Brenngas-Sauerstoff-Gemisch.
Reduktionsgaserzeuger nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (2) in einem der Austrittsplatte (7) abgewandten Bereich der Rohrwand zwischen dem Ringkanal zur Brennstoffzuführung (4) und dem Ringraum zur Oxidationsmittelzuführung (18) angeordnet ist.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Durchführung (2) angeordnet sind, die in einem Ringbereich der Rohrwand zwischen dem Ringkanal (4) und dem Ringraum (18) weitgehend beabstandet sind.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringkanal (4) zwischen der Durchführung (2) und der Austrittsplatte (7) mindestens eine Mischeinrichtung (5, 6) angeordnet ist, die eine einem Spiralabschnitt angepasste Form aufweist.
Reduktionsgaserzeuger nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (5, 6) an den angrenzenden Rohrwandungen abschließt.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mischeinrichtungen angeordnet sind, die entlang der Brennerachse um einen vorgegebenen Versatz gegeneinander beabstandet sind.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mischeinrichtungen angeordnet sind, die um die Brennerachse um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander versetzt sind.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mischeinrichtungen angeordnet sind, die gegeneinander einen entgegengesetzten Spiralsinn aufweisen.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsplatte (7) aus gut wärmeleitendem Material gesteht.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Hochofen zugewandten Seite eine Kühlkammer (12) mit halbkugelförmiger Dichtfläche angeordnet ist.
Reduktionsgaserzeuger nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die halbkugelförmige Dichtfläche eine Nut (13) für einen Dichtring (14) aufweist.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermoelement zur Überwachung der Temperatur des Gemisches in dem Ringkanal (4) im Bereich der Austrittsplatte (7) angeordnet ist.
Reduktionsgaserzeuger nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsgaserzeuger im oberen Teil des Hochofens anordenbar ist und in den unteren Teil des Hochofens Heißluft und sauerstoffangereicherte Luft einblasbar ist.