DE202023100653U1

DE202023100653U1 - Lanzentechnologie zur Nachverbrennung brennbaren Materials im Ofen

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Publication number: DE202023100653U1
Application number: DE202023100653.1U
Authority: DE
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2033-02-11
Also published as: DE102022103263A1

Abstract

Eintragslanze (10) für Oxidanten mit einer Längserstreckung X-X und (i) einer Lanzenspitze (33) mit einer Mündungsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintragslanze einen Sensor (15) umfasst, welche dazu geeignet ist die Umsetzung im Bereich vor der Lanzenspitze (33) von brennbarem Material durch Verbrennung mit von der Eintragslanze (10) injizierten Oxidanten zu erfassen.

Description

Neben der bekannten Technik der Nachverbrennung von im Ofenabgas enthaltenen, brennbaren Komponenten, wird auch versucht, die enthaltene Energie im Abgas bereits noch im Ofen zu nutzen. Hier sei beispielhaft die unter den Namen BoostAL Control angebotene Technik (Patent No.: US 8,721,764 B2 ) genannt.
Neben der Möglichkeit, eine überstöchiometrische Verbrennung im Ofen zu generieren, besteht auch die Möglichkeit, einen zusätzlichen Oxidanten in den Ofen zu injizieren, um die Nachverbrennung von Kohlenmonoxid (CO) / VOCs (Volatile Organic Compounds), etc. zu realisieren.
In manchen Fällen wird eine Abgasmessung (z.B. CO) im nachfolgenden Abgaskanal vorgesehen, um festzustellen, ob und wieviel Oxidant zugeführt werden soll.
Ein Problem, welches bei einer solchen Abgasmessung auftreten kann, ist z.B. der Fall, dass im Abgas kein CO zur Nach/Zusatzverbrennung angezeigt/gemessen wird. Es ist aber unklar, ob dieser Zustand durch den Einsatz des zusätzlichen Oxidanten herrührt, oder ob mit den Hauptoxidanten schon eine vollständige Verbrennung im Ofen erreicht wurde.
Im Betrieb wird somit eine oftmals unnütze, weil zu lang andauernde, Injektion des zusätzlichen Oxidanten durchgeführt.
Hilfreich wäre in diesem Fall eine messtechnische Indikation, ob Verbrennung/Pyrolyse mit dem zusätzlichen Oxidanten stattfindet, oder ob die Verbrennung schon mit den Hauptoxidanten abgeschlossen ist und die Zufuhr von zusätzlichen Oxidanten gestoppt werden kann, ohne eine erhöhte Emission von CO / VOCs zu riskieren.
Dadurch könnte eine unnütze Injektion des zusätzlichen Oxidanten verhindert und entsprechend Betriebskosten eingespart werden.
Laut hierin beschriebenem Verfahren wird im Ofen Brennstoff mit einem Hauptoxidant verbrannt (Hauptverbrennung). Der Hauptoxidant kann zum Beispiel Luft sein, hat aber vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von mehr als 22 Vol.-% (insbesondere sauerstoffangereicherte Luft), beziehungsweise von 90 bis 100 Vol.-%.
Die bei der Hauptverbrennung freigesetzte Energie wird dazu genutzt, eine im Ofen anwesende Ladung zu erhitzen. Eine solche Ladung wäre, zum Beispiel, ein im Ofen zu schmelzendes Material wie Aluminium, Blei, Mangan, Eisen, Zinn, Zink, etc.
Der Brennstoff und der Hauptoxidant werden in kontrollierten Mengen und Verhältnissen dem Ofen zugeführt.
Wenn die Beladung brennbare Bestandteile enthält, die während der Erhitzung freigesetzt werden, wird das Verhältnis zwischen Hauptoxidant und dem zur Verbrennung im Ofen verfügbaren, brennbaren Material geändert, wodurch eine ungewünschte, erhöhte Emission von CO / VOCs erfolgt.
Um dieses möglichst zu vermeiden, wird mit einer oder mehreren Eintragslanzen, ein zusätzlicher Oxidant in den Ofen injiziert. Der zusätzliche Oxidant ist bevorzugt reich an Sauerstoff. Ein Sauerstoffgehalt von mehr als 22 Vol.-%, beziehungsweise von 90 bis 100 Vol.-% und insbesondere von 98 bis 100 Vol.-% wird bevorzugt.
Sinnvollerweise wird der Nahbereich der Lanzenspitze/ Mündungsöffnung mit einem rotierenden Oxidanten-Strahl beaufschlagt, um eine möglichst gute Durchmischung der Ofenatmosphäre mit den brennbaren Ladungsbestandteilen und dem zusätzlichen, bevorzugt sauerstoffreichen, Oxidant zu erzeugen.
Dazu kann die in illustrierte Dralllanze verwendet werden.
Diese Lanze 30 umfasst einen, mit einer Oxidantzuleitung 31 verbundenen Zuleitungskanal 32. Zuleitungskanal 32 ist im Bereich der Lanzenspitze/Mündungsöffnung 33 im Lanzeninneren mit Austrittsdüsen 35 versehen die in einer Innenkammer 36 der Lanze 30 münden. Die Austrittsdüsen 35 verlaufen tangential oder mit einer tangentialen Komponente zur Längserstreckung X-X der Lanze 30 und sorgen dafür, dass dem austretenden Oxidantgasstrom eine Drallströmung auferlegt wird.
Eine Beaufschlagung eines weiter von der Lanzenspitze/ Mündungsöffnung im Ofenraum entfernten Fernbereich, kann mit einer,Weitwurf'-Komponente erreicht werden. Dabei wird, mit einer Laval-Düsenlanze, ein stark gerichteter Oxidanten-Strahl erzeugt, der durch den Nahbereich der Lanzenspitze/ Mündungsöffnung hindurch gerichtet ist, und somit bis in den Fernbereich reicht.
Es wird insbesondere eine Eintragslanze vorgeschlagen, die in der Lage ist, sowohl im Nahbereich, als auch, weiter im Ofenraum, im Fernbereich ausreichend zusätzlichen Oxidanten verteilt einzubringen. Dazu ist die Eintragslanze mit einem „Nahbereichskanal“ und einem ‚Weitwurfkanal‘ ausgestattet. So können wahlweise oder auch gleichzeitig mehrere Bereiche des Ofenraums mit dem zusätzlichen Oxidanten erreicht werden.
Dazu kann die in illustrierte Lanzenkombination 10 verwendet werden. Sie umfasst einerseits eine, wie in illustrierte, äußere Dralllanze 30 und ein innere, koaxiale, mit einer zweite Oxidantzuleitung 11 verbundenen Laval-Düsenlanze 12, wobei die Laval-Düse 13 der innere Lanze 12 zentral in der Innenkammer 36 der Dralllanze 30 mündet.
Somit kann, wenn sowohl im Nahbereich als im Fernbereich zusätzlicher Oxidant eingedüst werden soll, der gerichtete Oxidanten-Strahl der inneren Laval-Düsenlanze 12 durch die Nahfeldoxidantinjektion hindurch den Fernbereich erreichen.
Zur Kontrolle der Zusatzverbrennung mit dem zusätzlichen Oxidanten wird die Lanze oder die Lanzenkombination idealerweise mit einem optischen Sensor 15 ausgestattet. Dieser Sensor erfasst die Umsetzung des brennbaren Materials durch Verbrennung mit dem von der Lanze oder Lanzenkombination injizierten zusätzlichen Oxidanten, insbesondere Sauerstoff, zu einem Endprodukt, z.B. zu Kohlendioxid (CO₂).
Dergleichen Ausführungsbeispiele sind in den und illustriert.
Wie die Lanze oder die Lanzenkombination mit einem optischen Sensor ausgestattet werden kann und wie der Sensor funktioniert wird insbesondere beschrieben in der zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Anmeldung noch nicht offengelegten internationalen Patentanmeldung mit Aktenzeichen PCT/ EP2022/051338 . In Bezug auf die Ausgestaltung, Arbeitsweise und Vorteile des optischen Sensors, die Ansteuerung des Sensors, die Verbindung des Sensors mit einer entsprechenden Lanze und die Verarbeitung der vom Sensor erfassten Daten wird die Offenbarung dieser internationalen Patentanmeldung hiermit in diese Anmeldung aufgenommen. Die Anmelderin behält sich vor, auf die Ausgestaltung und Arbeitsweise des optischen Sensors, die Ansteuerung des Sensors, die Verbindung des Sensors mit einer entsprechenden Lanze und die Verarbeitung der vom Sensor erfassten Daten im Rahmen der in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindung Schutz zu begehren.
Der Sensor kann, zum Beispiel, ein Pixelsensor sein.
Wenn die vom Sensor erfasste Verbrennung mit dem zusätzlichen Sauerstoff (insbesonder die vom Sensor erfasste Flammenintensität) unter einem vorbestimmten Grenzwert liegt, wird vom Sensor oder einem damit datenverbundenen Kontroller eine Reduzierung/Abschaltung der Injektion von zusätzlichem Oxidanten (z.B. Sauerstoff) veranlasst, wobei die Reduzierung/Abschaltung vorzugsweise unverzögert erfolgt.
Damit die Anwesenheit von mit zusätzlichem Oxidant verbrennbaren Material im Ofenraum weiter überwacht werden kann, kann immer eine Mindestmenge an zusätzlichem Oxidant injiziert werden, damit in Anwesenheit von mit dem zusätzlichen Oxidant verbrennendem Material eine Flamme entsteht, die vom Sensor erfasst wird. Der Sensor erfasst bevorzugt die Intensität dieser Flamme. Diese Intensität ist ein Maß für die anwesende Menge an mit zusätzlichem Oxidant verbrennbaren Material. Der Sensor kann demzufolge für die Steuerung der Oxidantinjektion mittels der Lanze, der Lanzen oder der Lanzenkombination angewendet werden.
Abhängig von der im Ofen zu erhitzenden Beladung, der Ofengeometrie und/oder der Einbaukonfiguration, können eine Dralllanze 30 und eine (mit einer Oxidantzuleitung 12) verbundenen Laval-Düsenlanze 11 (als räumlich getrennte, diskrete Bauteile) realisiert und im Ofen eingebaut werden (s. und ). Wie oben beschrieben wird bevorzugt eine die Dralllanze und Laval-Düsenlanze umfassende integrierte Lanzenkombination 10 angewendet (s. ).
Auf analoge Weise können die Lanze, die Lanzen oder die Lanzenkombination und der Sensor als räumlich getrennte, diskrete Bauteile realisiert und im Ofen eingebaut werden, wobei der Sensor auf den von der Lanze, von den Lanzen oder von der Lanzenkombination mit zusätzlichem Oxidant beaufschlagten Bereich ins Ofeninnere gerichtet ist. In diesem Fall wird der Sensor 15 bevorzugt mit einem Spülanschluss 41 und einer Spüllanze 42 versehen, wie in der noch nicht offengelegten internationalen Patentanmeldung PCT/ EP2022/051338 beschrieben (s. ). In Bezug auf die Ausgestaltung des Spülanschlusses, der Spüllanze und des Sensors angeordnet an der Spüllanze wird die Offenbarung dieser internationalen Patentanmeldung hiermit in diese Anmeldung aufgenommen. Die Anmelderin behält sich vor, auf die Ausgestaltung des Spülanschlusses, der Spüllanze und des Sensors angeordnet an der Spüllanze im Rahmen der in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindung Schutz zu begehren.
Es ist aber vorteilhaft, die Lanze, die Lanzen oder die Lanzenkombination und den Sensor in einer Konstruktion/einem Apparat zusammen zu fassen (s. und ).
Die Lanze, Lanzen oder Lanzenkombination wird/werden bevorzugt komplett mit Ansteuerung, Abgasmessung/Abgasanalyse und Sauerstoffversorgung angeboten und kann, zum Beispiel, vorteilhaft in einem Aluminiumschmelzofen angewendet werden.
Als kompakte Einheit ist die Lanzenkombination 10 am Ofen bei nur einer notwendigen Öffnung installierbar, wobei durch die Lanzenkombination 10 mit den unterschiedlichen Injektionsmöglichkeiten (Nah/Fern => Drall/Überschall) eine weite Fläche im Ofenraum, mit zusätzlichem Oxidant abgedeckt werden.
Das Gleiche gilt, wenn die Lanzenkombination 10 mit dem Sensor in einer Konstruktion/einem Apparat zusammengefasst ist.
Wird/werden die Lanze, Lanzen oder Lanzenkombination mit einem zugehörigen, optischen Sensor angewendet, wird nicht nur ein Crosscheck zur Abgasmessung möglich, sondern dieses Sensorsignal erlaubt eine passgenaue Reduzierung des zusätzlichen Oxidanten-Durchflusses und führt somit zu Einsparungen.
Die hier beschriebene Eintragslanze zur gasförmigen Oxidantinjektion in Schmelzöfen gibt zum einen die Möglichkeit, den benötigten Sauerstoff im Nahbereich (rotierende Injektion) oder auf größere Distanz (Überschall-Injektion) einzutragen und dabei permanent den Status der Nachverbrennung zu erfassen. Der die Lanze steuernde, optische Sensor (Pixel-Sensor), gibt darüber Auskunft, ob der Nachverbrennungsprozess soweit abgeschlossen ist und der Sauerstoffeintrag zur Nachverbrennung gestoppt werden kann oder erhöht werden muss.
Bezugszeichenliste

10: Lanzenkombination
11: zweite Oxidantzuleitung
12: Laval-Düsenlanze, innere Lanze
13: Laval-Düse
15: optischer Sensor
30: Dralllanze, äußere Lanze, äußere Dralllanze
31: Oxidantzuleitung
32: Zuleitungskanal
33: Lanzenspitze/Mündungsöffnung
35: Austrittsdüse
36: Innenkammer
41: Spülanschluss
42: Spüllanze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8721764 B2 [0001]
EP 2022051338 [0022, 0027]

Claims

Eintragslanze (10) für Oxidanten mit einer Längserstreckung X-X und (i) einer Lanzenspitze (33) mit einer Mündungsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintragslanze einen Sensor (15) umfasst, welche dazu geeignet ist die Umsetzung im Bereich vor der Lanzenspitze (33) von brennbarem Material durch Verbrennung mit von der Eintragslanze (10) injizierten Oxidanten zu erfassen.
Eintragslanze (10) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (15) ein optischer Sensor ist.
Eintragslanze (10) nach Anspruch 2, wobei der Sensor (15) ein Pixelsensor ist.
Eintragslanze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (15) dazu geeignet ist, eine Flammenintensität der Umsetzung zu erfassen.
Eintragslanze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (15) mit einem Kontroller datenverbunden ist, welche die Injektion von Oxidanten mittels der Eintragslanze kontrolliert.
Eintragslanze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eintragslanze (10) eine Laval-Düsenlanze (12) mit einer Laval-Düse (13) ist.
Eintragslanze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eintragslanze (10) eine Dralllanze ist.
Eintragslanze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eintragslanze (10) eine Innenkammer (36), a. eine äußere Dralllanze (30) mit einem Zuleitungskanal (32), wobei Zuleitungskanal (32) im Bereich der Lanzenspitze (33) mit Austrittsdüsen (35) versehen ist, die in der Innenkammer (36) münden und die tangential oder mit einer tangentialen Komponente zur Längserstreckung X-X verlaufen, und b. eine innere, koaxiale Laval-Düsenlanze (12) mit einer Laval-Düse (13), die zentral in der Innenkammer 36 mündet, umfasst.
Ofen ausgestattet mit einer Eintragslanze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ofen nach Anspruch 9, wobei die Eintragslanze (10) eingerichtet ist für das Eintragen von zusätzlichem Oxidanten in den Ofen.
Ofen nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Ofen ein Schmelzofen ist.
Ofen nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei in dem Ofen Aluminium, Blei, Mangan, Eisen, Zinn oder Zink schmelzbar sind.
Ofen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine Ladung in dem Ofen brennbare Bestandteile aufweist.
Ofen nach Anspruch 13, wobei die Ladung Aluminium, Blei, Mangan, Eisen, Zinn und/oder Zink aufweist.