DE1508094A1

DE1508094A1 - Verfahren und Vorrichtung zur teilweisen Verbrennung von Brennstoffen

Info

Publication number: DE1508094A1
Application number: DE19661508094
Authority: DE
Inventors: Muskat David Allen; Jerome Feinman
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1965-05-26
Filing date: 1966-06-25
Publication date: 1969-03-06
Also published as: BE681662A; US3344834A; NL6607231A; GB1145830A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur teilweisen Verbrennung von

Brennstoffen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung zur teilweisen Verbrennung von Brennstoffen und insbesondere zur Erzeugung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen flüssigen Brennstoffen wie Heizöl.

Bei bestimmten chemischen und metallurgischen Verfahren, insbesondere bei Schmelzprozessen, ist ein Strom heißer Hedulctionsgase erforderlich. In den üblichen der Schmelzung von Eisen dienenden Hochöfen werden diese Gase durch Ver

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtich.-Ing. Axel Hanimann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 ■ Telefon ι 292102 · Telegramm-AdreiM. Llpatli/München

Bankverbindungen ι Deut»che Bank AO, Filial· München, Dop.-Kaue Vikrualienmarkt, Konto-Nr. 70/30433 Bayer. Vereinibank MOndien, Zweigst. Oikar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 982495 · Poihdietk-Konto. MOndwn Nr. 1633 «7

OppenauerBüro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

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brennung von Koks und beliebigen eingeleiteten Brennstoff mit der am Boden des Ofenschachtes vorgewärmten Luft erzeugt. Da die Temperatur des die Ifindformen erreichenden Kokses etwa 165O°C beträgt, muß die Luft im allgemeinen auf etwa 8l6°C vorgewärmt werden, damit die für den Prozess erforderliche hohe Temperatur erreicht wird. Die den Boden des Ofens verlassenden Gase enthalten etwa 60 $ Stickstoff, der den Partialdruck der Reaktionsgase erniedrigt und wegen des aufgrund des großen Gasvolumens erhöhten Druckverlustes Durchsatzbeschränkungen bedingt. Beim Schmelzen von Eisenerz in einem gewöhnlichen Hochofen müssen Vorwärmer zur Erwärmung der Luft verwendet und auch eine große Koksmenge eingesetzt werden. Diese Erfordernisse führen jedoch zu einer beträchtlichen Erhöhung der Herstellungskosten für das Eisen.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Erhitzung der Flamme Synthesegas durch Verwendung von Dampf zu erzeugen. Diesem Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß die Temperatur des erzeugten Gases für viele Zwecke zu niedrig ist. Ein anderer Nachteil der bekannten bei der partiellen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstofte verwendeten Verfahren besteht darin, daß sich fester Kohlenstoff bildet, der sich im Verbrennungsraum oder unterhalb des Verbrennungsraumes ablagert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur partiellen Verbrennung flüssiger Kohlenwasserstoffe zu schaffen, wobei das erzeugte Produkt bei hoher Temperatur an-

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fällt und eine relativ kleine Menge Stickstoff und festen Kohlenstoff enthält. Zur Durchführung des neuartigen Verfahrens soll auch eine geeignete Vorrichtung geschaffen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dieses neuartige Verfahren und die zugehörige Vorrichtung so auszubilden, daß sieh Eisenerz schmelzen läßt, ohne daß dazu Vorwärmer erforderlich sind, daß die Koksmenge weitgehend verringert werden oder ganz in Wegfall kommen kann und daß schließlich das heiße Metall mit einer viel größeren Geschwindigkeit hergestellt werden kann, als dies in den gewöhnlichen Hochofen der Fall ist.

Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der Ausfiihrungsbeispiele schema tisch dargestellt sind. In der Zeichnung sind:

Pig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Brenners, Fig. 2 eine Seitenansicht der Brennerspitze, Fig. 3 eine Stirnansicht der in Fig. 2 gezeigten Brennerspitze, Fig. k eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung

zur Erzeugung von Eisenerz und Fig. 5 eine Schnittansicht der in Fig. k gezeigten Vorrichtung.

In den Figuren 1 bis 3 der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeiehen 2 eine Verbrennungskammer, die mit einem äußerst hitzebeständigem Material h ausgekleidet ist, das Temperaturen von

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über 2210⁰C (400O⁰F) widersteht. Für diesen Zweck eignet sich hochreines Magnesium oder Zirkonium. Auf der Außenseite des hitzebeständigen Materials 4 ist ein Wärmeisoliermaterial 6 geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Durch die hitzebeständigen Materialien 4 und 6 führt eine Öffnung 8 in die Kammer 2, die den Brenner 10 aufnimmt, wie aus Figur 4 ersichtlich ist. Der Brenner 10 ist mit einer Sprühdüse 12 versehen, die einen Brennstoffeinlaß 14 und einen Einlaß 16 für das den Brennstoff in feinste Tröpfchen aufteilende Gas aufweist. Diese beiden Einlasse stehen mit den Leitungen 18 und 20 in Verbindung. Die rohrförmige Ummantelung 22 besitzt einen Innendurchmesser, der im wesentlichen dem Außendurchmesser der Düse 12 gleich ist und der die Düse 12 und die Leitungen 18 und 20 umgibt und eine Kammer 23 bildet, die zur'Düse 12 führt. Der Mantel 22 besteht aus einem hitzebeständigen Metall wie der Nickellegierung "Inconel" oder dem rostfreien Stahl der Type 310. Eineaus einem ähnlichen Material bestehende Blende 24 kann an der Innenseite des Mantels 22 an seinem Auslaßende angebracht werden. Den Mantel 22 umgibt eine Leitung 26, die eine Kammer 28 für Kühlwasser schafft. Die Düse 12 ist mit einem Körper 30 versehen, der einen zylindrischen Abschnitt 31 aufweist, in dem sich mehrere spiralförmige Nuten 32 befinden. Obgleich acht Nuten dargestellt sind läßt sich die Anzahl vergrößern oder verkleinern, wenn auch zur Erzielung des besten Ergebnisses nur eine einzige Nut pro viertel Kreis vorhanden Bein sollte, wenn die Nuten einen gleichen Abstand

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voneinander aufweisen. Aus der Kammer 23 strömt durch die Nuten 32 Primärsauerstoff. Die Größe der Nuten sollte so gewählt sein, daß bei der kleinsten pro Zeiteinheit zugeführten Sauerstoffmenge längs der ganzen Nut ein Gesamtdruckverlust von mindestens 0,35 kp/cm auftritt. Am Ausströmende der Düse 12 befindet sich eine Düsenspitze "j^li, die aus einem in das Teil 30 eingesehraubten Körperteil 38 besteht, an dem mit Hilfe einer Überwurfmutter k2 ein Auslaßteil hO befestigt ist. Die in den Teilen 38 und Ί0 befindlichen axialen Öffnungen ™ sind mit dem Brennstoffeinlaß lh ausgerichtet. Das Teil 38 besitzt einen kreisförmigen Durchgang kh, der mit dem GaseinJaß Ib in Verbindung steht. Von diesem Durchgang kh führen drei gleiche Abstände untereinander aufweisende Öffnungen kb zum Aiistrittsende des Teiles 38. Die Brennerspitze jh kann eine gewöhnliche Spitze sein, in der sich eine genormte Sprühdüse befindet, wie sie beispielsweise von der Spraying Systems Company in Bellwood, Illinois hergestellt wird.

Wenn sich der Brenner in Betrieb befindet läuft das flüssige BrennstofföI durch die Leitung 18 in die DUsenspitze jh, während die den Brennstoff zerstäubende Luft oder der Sauerstoff durch die Leitung 20 der Düsenspitze jh zugeführt wird, in der der flüssige Brennstoff zerstäubt wird. Gleichzeitig wird durch die Kammer 23 und die Nuten 32 rund um die Brennerspitze 34 Primärsauerstoff eingeleitet. Dein durch die Nuten 32 strömenden Sauerstoff wild ein Drall erteilt, der nicht nur eine zusätzliche Mischungswirkung zur Folge hat, sondern auch die effektive

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Standzeit der in der Verbrennungszone befindlichen Materialien erfüllt und eine wirkungsvollere Brennstoffverwirbelung zur Folge hat, so daß nur wenig unvergaster Kohlenstoff die Verbrennungszone verläßt. Die durch die Leitung 20 und die Kammer 23 zugeführte Mindestmenge an Sauerstoff sollte dem für die Verbrennung des Brennstoffs zu Kohlenmonoxyd und Wasserstoff maßgel)li ehen stöehiometrisehen Verhältnis entsprechen, während die Maximalmenge des gesamten Sauerstoffs diesen Betrag nicht um annähernd 125 % übersteigen sollte. Die Teilverbrennung des flüssigen Brennstoffs in der vor der Düse befindlichen Zone wird in der Kammer 2 vollendet, und die auf diese Weise erzeugten Gase durchströmen die Verfahrenskammer, in der sie verbrannt werden, wodurch das Verfahren abgeschlossen wird. In einigen Fällen kann anstelle von Brennstoff öl Kohlenstaub verwendet werden.

Es wurde gefunden, daß zumindest ein minimales Verhältnis der zur Zerstäubung erforderlichen Gasmenge zu der Flüssigkeitsmenge und innerhalb der Düse ein minimaler Druckverlust aufrechterhalten werden sollten, um sicherzustellen, daß die Flüssigkeitströpfchen kleiner sind als die zu einer guten Betriebsweise erforderlichen größten Tröpfchen. Im Falle der Verwendung des Brennstofföles Nr. 6 beträgt das Minimum des Verhältnisses des Zerstäubungsgasstromes zum Flüssigkeitsstrom etwa 0,25 m3 Gas/kg Öl (4 standard cu. ft./lb.), obgleich dieses Verhältnis bei maximaler Betriebsleistung kleiner sein kann.

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Größere Verhältnisse als das Minimalverhäitnis haben eine bessere Betriebsweise zur Folge. Zur Erzeugung einer ausreichenden Tröpfchenzerteilung sollte der minimale Druckverlust in der Düse etwa 2,il kp/cm betragen. Bei niedrigen Durchsätzen liegt der minimale Druckverlust, der für einen wirkungsvollen Betrieb erforderlich ist, unter 2,11 kp/cm , während er bei hohen Durchsatzleistungen über dem genannten Wert liegen sollte. Auch wurde gefunden, daß die Temperatur des in das System eintretenden Öl- und Gasstromes so niedrig wie möglich gehalten werden sollte, so daß die in der Düsenspitze auftretende Öltemperatur nicht die Temperatur überschreitet, bei der noch keine Verkokung des Öles stattfindet. Auf diese Weise werden die Bildung von Koks in der Düsenspitze und die sich daraus ergebenden Nachteile vermieden. Im allgemeinen sollten die Öltemperatur beim Eintritt in den Brenner unter 80 C und die Gastemperatur unter 38⁰C liegen.

In den Figuren k und 5 ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, wobei der Brenner zum Schmelzen von Eisenerz verwendet wird. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, besitzt der Ofen eine Schmelzkammer 50 mit einem Abstichloch 52, die durch einen kegelstumpfförmigen Teil 5¹» mit einem Schacht oder Reaktor 56 in Verbindung steht. Oben auf dem Ofen befindet sich ein stationäres Füllgefäß 58, dessen Oberteil ein tragbares Füllgefäß 60 aufnimmt. Mehrere Brenner 10 sind mit ihrer Austrittsöffnung durch die Brennkammern 62 hindurch in

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den kegelstunipfförmigen Teil ¹Sk geöffnet. Die Brennkammer 62 ist mit einem hochhitzebeständigem Material 6**, vorzugsweise mit Zirkonium ausgekleidet. Die Sehmelzkammer 50 und der Reaktor 5*>, sind mit Aluminiumsteinen 66 ausgekleidet, die auf ihrer Außenseite mit einer Schicht Schamotteziegeln 68 versehen sind. Die Schamotteziegeln 68 sind zur Isolierung von einem leichten gießbaren, feuerfesten Material 70 umgeben. Eine Stahlhülle 72 bildet die äußere Oberfläche des Ofens und ist mit Vorrichtungen versehen,die die Brenner 10 tragen. Am Ofenkopf befindet sich eine Gasauslaßleitung 7k. Wenn der Ofen mit Koks, Kalkstein und Eisenerz und/oder Eisenoxyd enthaltenden Presslingen gefüllt ist, werden die Brenner in der Oben beschriebenen Weise in Gang gesetzt, so daß sie das Eisen schmelzen. Das teilweise verbrannte Gas verbindet sich mit dem in dem Erz oder anderen Oxyden enthaltenen Sauerstoff. In einer Pilot-Anlage wurde der Ofen mit 10 $ Koks und 90 # selbstgehendem Eisenoxyd, in dem sich Sinter befand, betrieben. Annähernd 12 Stunden nach der ersten Charge wurden kleine Mengen geschmolzenen Eisens abgestochen und zusätzlicher Möller aus den Füllgefäßen 58 und 60 aufgegeben. Der zusätzliche Ofenbetrieb führte zu einer gesteigerten Bildung geschmolzenen Eisens die nach einigen Stunden einen stationären Zustand erreichte. Die verbrannten Gase verließen den Reaktor durch die Leitung 74. iis hat sich als notwenig herausgestellt, die Brenner mit etwa 20 fo mehr Sauerstoff zu betreiben, als nach dem stöchiometrischen Verhältnis zur Erzeugung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlich ist, da die aus der Kleinheit des Pilotbetriebes herrührenden großen Wärmeverluste ausgeglichen werden mußten.

Claims

PATE NTANWÄLTE Dipl.-lng. MARTI N LICHT

PATENTANWÄLTE UCHT, HANSMANN, HAMANN Df. REINHOLDSCHMIDT

8 MÖNCHEN 2 - THEtESIENSTtASSE 33 Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXELHANSMANN

UNITED STATES STEEL COItPO'lATION Dipl.-Phys. S EBASTIAN H E R RMAN N

PITTSBURGH, PENNSYLVANIA _tt . _{J o}„ _xf . ._ni,

Mönchen, den 2y,Mai 1900

VILLIAM PENN PLACE 52}

IhrZmdien Unier Zeichen /CO

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Patentanmeldung; Verfahren und Vorrichtung zur teilweisen

Verbrennung von Brennstoffen.

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I.. Verfahren zur Abgabe von heiUen Reduktionsgasen an eine Verbrennungskammer, .^ekennzeiclinot durch folgende Verfahrensschritte: ein nicht gasförmiger, lcohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff (14) wird einer Verbrennungskammer (2) '/,λgeführt, vor der Verbrennung mit einem Primärsauerstoffstrora (23) in einem Verhältnis gemischt (40), das die gesamte SauerstoffTtten^e die stöehiometrische Menge, die zur Verbrennung des ilrermsloffes zu JCohlenmonoxyd und Wasserstof Γ erforderlich ist, um annähernd 12) fo nicht übersteigt, und der teilweise verbrannte Brennstoff wird, während er noch heiß ist, zur weiteren Oxydation der Prozesskammer (5^) zugeführt.

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Patentanwälte Dipi.-Iiig. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann 3 MÖNCHEN 3,TKERESIENSTXASSE 33 · Telefon ι »ΪΙ02 · Tekflromm-Adr·«·, lipalii/MOndi·«.

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OppenauarBGro: PATENTANWALT DR. REINKOLD SCHMIDT

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2. Verfahren nach Aieprueh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung ans Breiinstoff, Sauerstoff enthaltendem Gas und Priiaärsauerstof f durch einen langgestreckten, um--j. grenzten Strömungsweg gäeitet wird.
j. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Prozesskaniraer (50) Sauerstoff und Eisen enthaltende Bestandteile befinden, die zu Eisen reduziert werden.
k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozesskaimner (50) Eisenerz, Koks und Kalkstein enthält.
5. Brennvorrichtung zur Lieferung heißer Jleduktionsgase durch teilweise Verbrennung nicht gasförmiger, kohlenwasserstoff hai tiger Brennstoffe, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Körper (22) mit Einrichtungen zur Lieferung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes, der den nicht gasförmigen Brennstoff durch eine in dem rohrförmigen Körper (22) befindliche Düse (12) trägt, Einrichtungen (23) zur Einleitung von Primärsauerstoff in den rohrförmigen Körper (22) und in dem rohrförmigen Körper befindliche Einrichtungen (32), die dem Primärsauerstoff, bevor er rund um die Düse austritt, einen Drall erteilen.

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6. Brennervorrielitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Primärsauerstoff einen Drall erteilenden Einrichtungen sich an dem DUsenkörper befinden und aus mindestens vier spiralförmigen Nuten (32) bestehen, die in gleichmäßigem Abstand um den Umfang eines zylindrischen Außenteils (30) des Düsenkörpers (12) laufen, der genau in den rohrförmigen Körper (22) paßt, wobei jede Nut mit einer Öffnung in den Innenraum des rohrförmigen Körpers versehen ist.
7. ßrennervorriehtung nach Anspruch 5t dadureh gekenn- " zeichnet, daß der rohrförmige Körper (22) einen Teil aufweist, der sich über das Austrittsende der Düse (40) hinauserstreckt und den Bereich der teilweisen Verbrennung vor der Düse umgibt.
8. Brennervorrielitung nach Anspruch 7, dadureh gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des über das vordere Ende der Düse (40) hinausreichenden Teiles des rohrförmigen Körpers (22) eine Blende (24) angeordnet ist, die eine kegelstumpfförmige axiale Öffnung besitzt, deren kleinster Durchmesser an ihrem Austrittsende liegt.
9. Brennervorrielitung nach Anspruch 7, dadureh gekennzeichnet, daß sich am Austrittsencle des rohrförmigen Körpers (22) eine mit hitzebeständigem Material ausgekleidete Verbrennungskammer (2) befindet.

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