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QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der US-Provisional Patentanmeldung Nr. 62/080272, eingereicht am 15. November 2014, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Fluidverteilung für die Verwendung in der Schmelztechnologie und in verwandten Prozessen. Bei einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Fluidverteilung für die Verwendung mit einem Konzentratbrenner oder einem Flashbrenner. Bei einem anderen Aspekt wird eine Fluidverteilungsdüse für die Verwendung in der Schmelztechnologie und verwandten Prozessen offenbart.
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STAND DER TECHNIK
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Ein effektives Schwebeschmelzen von Erzkonzentraten verlangt, dass die Schmelzverbrennungsreaktionen so effektiv wie möglich ausgeführt werden. Ein Schwebeschmelzofen umfasst typischerweise einen erhöhten Reaktionsschacht, an dessen oberem Teil ein Brenner positioniert ist, an dem partikelförmiges Aufgabematerial und Reaktionsgas zusammengebracht werden. Im Falle des Schmelzen von Kupfer ist das Aufgabematerial typischerweise ein Erzkonzentrat, das Kupfer und Eisensulfidmineralien enthält. Das Konzentrat wird üblicherweise mit einem Siliziumdioxid-Flussmittel gemischt und mit vorgewärmter Luf] oder sauerstoffangereicherter Luft verbrannt. Geschmolzene Tröpfchen werden in dem Reaktionsschacht gebildet und fallen in den Schmelzraum, wobei sie Kupferstein und eine eisenreiche Schlackephase bilden.
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Ein bekannter Brenner umfasst einen Windmantelraum, einen wassergekühlten Mantel, einen Geschwindigkeitseinstellkegel und eine Innenlanze. Der Brenner enthält typischerweise einen Kühlblock, der an dem Windmantelraum befestigt ist und in dem Dach des Reaktionsschachtes des Ofens integriert ist.
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Der untere Bereich des Einstellkegels und die innere Kante des Kühlblocks erzeugen einen ringförmigen Kanal. Sauerstoffangereichte Verbrennungsluft tritt in den Windmantel ein und wird über den ringförmigen Kanal in den Reaktionsschacht ausgelassen.
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Der wassergekühlte Mantel und die Innenlanze erzeugen einen ringförmigen Kanal in dem Verbrennungsluftstromringraum. Das Aufgabematerial wird von oben eingeführt und sinkt durch den wassergekühlten Mantel in den Reaktionsschacht innerhalb des Ringkanals. Eine Ablenkung des Aufgabematerials in das Reaktionsgas wird durch eine glockenförmige Spitze an dem unteren Ende der Lanze gefördert, die in der Mitte des wassergekühlten Mantels angeordnet ist.
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Typische Lanzenköpfe enthalten einen festen Verteilungsring in der unteren Kopfanordnung, die eine Reihe von gleichabständigen radialen Öffnungen konstanten Durchmessers enthält, wie in dem
US-Patent 4 147 535 angegeben ist. Die Öffnungen richten komprimierte Luft von dem unter Druck stehenden Inneren der Lanze nach außen, um das Aufgabematerial in eine schirmförmige Reaktionszone zu verteilen. Lanzenköpfe dieses Typs sind mit Nachteilen versehen, die gegenteilig die Brennerleistungsfähigkeit beeinflussen und Ineffizienzen bewirken können, wie beispielsweise ein Verschließen der Luftöffnungen aufgrund von Ofenablagerungen. Solche Vorkommnisse treten häufig auf und sie können nur durch das Entfernen der Lanze aus dem Ofen, gefolgt von einer In-situ-Säuberung der verstopften Öffnungen oder durch eine vollständige Ersetzung der Lanze, um eine vollständige Zerlegung und Reinigung der verstopften Verteilerringöffnungen zu gestatten, korrigiert werden.
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In-situ-Reinigung von Ablagerungen wird typischerweise durch sorgfältigen Ausbohren jeder Öffnung durchgeführt. Dieser Reinigungsvorgang ist sowohl zeitaufwendig und birgt die Gefahr des Beschädigens der Öffnungen, wodurch die Gleichförmigkeit der Luftstromverteilung schädlich beeinflusst wird und Unregelmäßigkeiten in der Aufgabematerialverteilung und Verbrennungseffizienz bewirkt werden. Es gibt auch eine Gefahr, dass Ofenablagerungen während des Bohrens in die Luftverteilungskavität gezwungen werden, wo sie innen gehärtet werden können. Die sicherste Methode des Reinigens, um den Zustand der Düsenöffnungen zu erhalten, ist durch Entfernen des festen Rings, vollständig mit Dichtungen und Säubern in der Instandhaltungswerkstatt. Dies verlangt ein Ersetzen der in den Ofen eingesetzten Lanze, gefolgt von einer vollständigen Demontage der entfernten Lanze. Das Zerlegen muss entfernt vom Brenner in einem Wartungsbetrieb mit ausreichend Raum durchgeführt werden, um die Trennung der inneren und äußeren Lanzenanordnungen zu erleichtern. Diese Arbeit verlangt in jedem Fall sehr viel Zeit und Kraft, durch die Ablagerungen in den Öffnungen mit ausreichender Sorgfalt zu bohren, um nicht Schäden an den Luftöffnungen zu bewirken. Vom Beginn bis zur Beendigung verlangt der Säuberungsprozess typischerweise bis zu zwei Tagen bis zu seiner Vollendung.
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Das erste Ziel der Erfinder ist, eine verbesserte Gestaltung bzw. Konstruktion der Verteilungsluftdüse vorzusehen, bei der der Verteilungsring mit auswechselbaren "Schablonen" ersetzt wird, die einen gleichmäßig verteilten Luftstrom liefern, wobei die für die Säuberung verlangte Anlagenstillstandszeit minimiert wird. Dies wird durch Vereinfachen der In-situ-Reinigung ebenso wie durch das Eliminieren der Notwendigkeit des Zerlegens in einem Wartungsbetrieb, um ein Ersetzen der Schablone zu bewirken, durchgeführt.
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Das zweite Ziel der Erfinder ist, verschiedene ersetzbare Schablonengestaltungen für den Zweck des Erhaltens von unterschiedlichen, optimaleren räumlichen Verteilungen der Zuführungs- und Prozessluft und Einspritzgeschwindigkeiten vorzusehen. Dies wird ausgeführt, damit die Bedienperson die Schmelzvorgänge der Anlage genauer einstellen kann, um einen optimalen Verbennungswirkungsgrad und eine längere Betriebsdauer zwischen dem Ersetzen oder Säubern der Schablonen vorzusehen.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Der folgende Abriss ist vorgesehen, um den Leser in die detailliertere folgende Beschreibung einzuführen und nicht um den beanspruchten Gegenstand zu definieren oder einzuschränken.
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Entsprechend einem Aspekt ist eine Schablone zur Verteilung von Luft in zwei oder mehr Düsensegmenten vorgesehen, die, wenn sie zusammengesetzt werden, einen Ring bilden. Die Düsensegmente umfassen Platten mit individuell gefrästen oder anderweitig hergestellten Düsen. Die Schablone wird zwischen den Verteilungskegel und den unteren Flansch des Lanzenkopfes eingefügt und dort gehalten. Das Reinigen der Düsenöffnungen wird nach Entfernen und Ersetzen der Schablone durchgeführt, was verlangt, dass die Lanze in einem ausreichend ungespannten Zustand ist, um einen Zwischenraum zwischen dem Verteilungskegel und dem unteren Flansch (ungefähr 20–50 mm) zu erzeugen und die Schablonensegmente zu entfernen und durch einen neuen sauberen Satz zu ersetzen. Diese Ersetzung kann in den Arbeitsräumen des Schmelzofens in der Nähe des Brenners durchgeführt werden und verlangt nicht das vollständige Zerlegen der Lanze. Dies hat den Vorteil, dass die Lanze nicht in eine Instandhaltungswerkstatt oder eine andere entfernte Stelle bewegt werden muss, da es keine Notwendigkeit gibt, die gesamte innere Lanze von der Anordnung zu entfernen. Das Ersetzen der Schablone kann in einem so kurzen Zeitraum wie 2 Stunden im Vergleich zu einer 2-Tagesdauer bei der existierenden Festringkonstruktion vollendet werden.
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Zusätzlich verlangt die Verteilungsluftschablone keine Dichtungen, die typischerweise in existierenden Lanzenkonstruktionen verwendet werden. Die Schablone wird nur zwischen der inneren und äußeren Lanzenanordnung zusammengedrückt, was eine ausreichende Kompression insofern vorsieht, dass eine geringe Menge eines Dichtungsmittels auf die Kontaktflächen aufgebracht werden kann, um Leckagen zu minimieren, wobei die Wartungsvorgänge vereinfacht werden. Außerdem enthält die Schablone eine Registerfläche an der Bodenfläche, um sicherzustellen, dass sie sauber positioniert und auf der Innenlanze platziert ist, wobei eine Rückhaltefläche auf der oberen Oberfläche verhindert, dass die Schablone während des Betriebs ausgestoßen wird.
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In einigen Beispielen sind die Schablonenöffnungen für Verteilungsluft in einer Vielzahl von kundenspezifischen Formen bearbeitet, um unterschiedliche Verteilungsluft-Strömungsmuster und -Geschwindigkeiten zu ermöglichen.
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In manchen Beispielen enthält die Verteilungsluftschablone mehrere Reihen aus bearbeiteten Düsen entlang der Achse.
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In manchen Beispielen besteht die Verteilungsluftschablone aus einer einzigen, kontinuierlichen Schlitzöffnung um den gesamten Umfang herum.
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In einigen Beispielen sind die Öffnungen der Verteilungsluftschablone gekrümmt, um einen Gasstrom in den Reaktionsschacht mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente zu erzeugen. Dies induziert einen wirbelnden Strom, wodurch die Turbulenz des festen Aufgabematerials in den Schwebeschmelzofen-Reaktionsschacht erhöht wird.
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In einigen Beispielen sind die Düsenöffnungen der Schablone in einer konvergierenden-divergierenden Düsengeometrie konstruiert, wodurch ein Betrieb bei Überschallluftgeschwindigkeiten ermöglicht wird. Dies sieht einen zusätzlichen Strömungsimpuls in dem Reaktionsschacht vor, wodurch die Gesamtmassen-Strömungsrate der komprimierten Luft stark verringert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Damit der beanspruchte Gegenstand besser verstanden wird, wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in der:
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1 eine Querschnittsansicht des Kopfes der Lanze eines Brenners für einen Schwebeschmelzofen ist, in den eine typische zweiteilige Schablone eingesetzt ist, wobei jede Schablone ein halbkreisförmiges Segment bildet;
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2 eine größere Darstellung des Details A der 1 ist;
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3 eine vergrößerte perspektivische Querschnittsansicht des Lanzenkopfes der 1 ist;
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4 eine isometrische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer Verteilungsluftschablone mit individuell bearbeiteten Düsenöffnungen ist;
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5 eine isometrische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels der Verteilungsluftschablone, geschnitten in zwei halbkreisförmige Segmente ist;
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6 eine vergrößerte Ansicht des Details A der 5 ist;
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7 eine isometrische Ansicht ist, die den Vorgang des Ersetzens der Schablone darstellt, wobei die innere Lanzenanordnung abgesenkt wird und die zwei halbkreisförmigen Verteilungsluftschablonensegmente aus dem gebildeten Zwischenraum zwischen der inneren und äußeren Lanze entfernt werden und durch einen Schablonensatz ersetzt werden;
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8 eine isometrische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels ist, die mehrere Reihen von Düsenöffnungen entlang der Mittelachse der Schablone enthält;
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9 eine isometrische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Verteilungsluftschablone, aufgeteilt in zwei halbkreisförmige Segmente ist;
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10 eine vergrößerte Darstellung des Details B der 9 ist;
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11 eine isometrische Ansicht des dritten Ausführungsbeispiels ist, das aus einem gekrümmten Schablonenmuster besteht, um einen Luftstrom mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente in den Reaktionsschacht zu liefern;
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12 eine isometrische Ansicht des dritten Ausführungsbeispiels der Verteilungsluftschablone, geschnitten in zwei halbkreisförmige Segmente ist;
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13 eine vergrößerte Darstellung des Details C der 12 ist;
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14 eine isometrische Ansicht des vierten Ausführungsbeispiels ist, das aus diskreten Düsen mit berechneten konvergierenden-divergierenden Strömungsbereichen ist, um einen Überschallluftstrom zu liefern;
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15 eine isometrische Ansicht des vierten Ausführungsbeispiels einer Verteilungsluftschablone, geschnitten in zwei halbkreisförmige Segmente ist;
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16 eine vergrößerte Darstellung des Details D der 15 ist;
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17 eine isometrische Ansicht des fünften Ausführungsbeispiels ist, das aus einer einzigen kontinuierlichen Schlitzdüse um den gesamten Umfang herum mit einem konvergierenden-divergierenden Strömungsflächenbereich ist, um eine Überschallluftströmung zu liefern;
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18 ein Querschnitt entlang der Linie 18-18' der 17 ist;
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19A eine isometrische Ansicht des fünften Ausführungsbeispiels einer Verteilungsluftschablone, geschnitten in zwei halbkreisförmige Segmente ist;
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19B eine vergrößerte Darstellung des Details E der 19A ist;
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20 eine isometrische obere Ansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Verteilungsluftschablone ist, die umschlossene Düsenöffnungen enthält;
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21 eine isometrische untere Ansicht des sechsten Ausführungsbeispiels einer Verteilungsluftschablone, geschnitten in zwei halbkreisförmige Segmente ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In der folgenden Beschreibung werden spezifische Details ausgeführt, um Beispiele des beanspruchten Gegenstandes vorzusehen. Die unten beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen jedoch nicht den beanspruchten Gegenstand einschränken. Es ist für die Fachleute offensichtlich, dass viele Abänderungen der spezifischen Ausführungsbeispiele innerhalb des Bereichs des beanspruchten Gegenstands möglich sind.
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Wenn nichts anderes gesagt wird, beziehen sich die Begriffe "innen" und "außen", die hier verwendet werden, auf radiale Positionen oder Richtungen relativ zu einer Längsmittelachse. Daher werden die Begriffe "innen" und "außen" verwendet, um die relative Nähe zu der Achse zu beschreiben.
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Die 1 bis 3 zeigen einen Teil eines Brenners für einen Schwebeschmelzofen, insbesondere das untere Ende einer rohrförmigen Lanze 10, die eine Außenfläche 12 aufweist, die von einer wassergekühlten Hülse (nicht gezeigt) und einem ringförmigen Durchgang für eine Verbrennungsluftströmung umgeben sein wird.
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Die rohrförmige Lanze 10 erstreckt sich entlang einer Längsachse A (1 und 3) und umfasst ein inneres Lanzenrohr 14 und ein äußeren Lanzenrohr 16. Das innere und das äußere Lanzenrohr 14, 16 sind konzentrisch zueinander angeordnet und erstrecken sich entlang der Längsachse A. Ein erster Gasströmungskanal 18 ist in der Lanze 10 eingeschlossen und ist in einem Ringraum zwischen dem inneren und äußeren Lanzenrohr 14, 16 vorgesehen. Das innere Lanzenrohr 14 weist einen hohlen Innenraum auf, der einen zweiten Gasströmungskanal 20 definiert. Zusätzlich umfasst das innere Lanzenrohr 14 einen inneren Lanzenflansch 22 an seinem unteren Ende, wobei der innere Lanzenflansch 22 eine Mittelöffnung des zweiten Gasströmungskanals 20 umgibt und das untere Ende des ersten Gasströmungskanals 18 abschließt.
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Das untere Ende der Lanze 10 umfasst einen oder mehrere Gasauslässe 24, die sich nach außen zu der Außenfläche 12 der Lanze 10 erstrecken. Das untere Ende der Lanze umfasst auch eine obere ringförmige Abdichtfläche 26 und eine untere ringförmige Abdichtfläche 28, wobei die obere und die untere ringförmige Abdichtfläche 26, 28 zueinander gerichtet sind. Das untere Ende der Lanze 10 schließt außerdem einen ringförmigen Düsenbereich 30 ein, der zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 liegt. Der ringförmige Düsenbereich 30 wird hier manchmal als "Schablone" oder als "Verteilungsluftschablone" bezeichnet.
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Der eine oder die mehreren Gasauslässe 24 sind zumindest teilweise durch den ringförmigen Düsenbereich 30 definiert bzw. begrenzt und erstrecken sich zwischen dem ersten Gasströmungskanal 18 und der Außenfläche 12 der Lanze, um so ein Ausströmen des Gases und von Aufgabematerial aus dem ersten Gasströmungskanal 18 zu gestatten.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der untere Endbereich der Lanze 10, auch hier als Lanzenkopf bezeichnet, einen Verteilungskegel 32 in Form eines Kegelstumpfes, der eine obere Kante aufweist, die an einem zylindrischen Abschnitt des äußeren Lanzenrohrs 16 befestigt ist, derart, dass der Verteilungskegel 32 eine untere Erstreckung des äußeren Lanzenrohrs 16 bildet und eine radiale Komponente zu der axialen Strömungsrichtung am unteren Ende des ersten Gasströmungskanals 18 einführt.
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Der Verteilungskegel 32 weist auch eine untere Kante 36 auf, die einen größeren Durchmesser als die obere Kante 34 hat, wobei die obere ringförmige Abdichtfläche 26 an der unteren Kante 36 des Verteilungskegels 32 vorgesehen ist.
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Es kann aus der Zeichnung gesehen werden, dass die untere ringförmige Abdichtfläche 28 an dem inneren Lanzenflansch 22 ausgebildet ist und gegenüberliegend zu der oberen ringförmigen Abdichtfläche 26 angeordnet ist. Jede der oberen und unteren ringförmigen Abdichtflächen 26, 28 liegt in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse A ist.
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Der ringförmige Düsenbereich 30 ist zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 angeordnet und liegt auch in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse A ist. Mindestens ein Teil des ringförmigen Düsenbereichs 30 ist lösbar zwischen die obere und untere ringförmige Abdichtfläche 26, 28 geklemmt, wodurch ermöglicht wird, dass es schnell entfernt und ersetzt werden kann, ohne die Notwendigkeit des Umsetzens der Lanze in eine Instandhaltungsabteilung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zum Festlegen des ringförmigen Düsenbereichs 30 verwendete Drucklast durch Spannen des inneren Lanzenrohrs 16 und seines Flansches 22 gegen den Verteilungskegel 32 geliefert, der das äußere Lanzenrohr 16 unter Druck setzt. In anderen Ausführungsbeispielen können die obere und untere ringförmige Abdichtfläche durch lösbare mechanische Befestigungselemente, wie Bolzen (nicht gezeigt) zusammengehalten werden.
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Der ringförmige Düsenbereich 30 weist zumindest ein oberes Flächenteil 38, das mit der oberen ringförmigen Abdichtfläche 26 abgedichtet ist, und mindestens ein unteres Flächenteil 40 auf, das zu der unteren ringförmigen Abdichtfläche 28 abgedichtet ist. Das obere und untere Flächenteil 38, 40 können eine Anzahl von unterschiedlichen Konfigurationen haben, und können kontinuierliche oder diskontinuierliche Flächen umfassen, wie weiter unten diskutiert wird. Die Abdichtung zwischen dem oberen und unteren Flächenteil 38, 40 und den jeweiligen ringförmigen Abdichtflächen 26, 28 ist im Wesentlichen gasdicht und kann durch jedes Mittel zur Verfügung gestellt werden, das die Entfernung und die Ersetzung des ringförmigen Düsenbereichs 30 erlaubt. Beispielsweise kann die Abdichtung durch Dichtungen und/oder Dichtstoffe (nicht gezeigt) geliefert werden.
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Entsprechend einiger hier beschriebener Ausführungsbeispiele und wie in den 5 und 7 gezeigt, kann der ringförmige Düsenbereich 30 eine Mehrzahl von bogenförmigen Segmenten 42 umfassen, wobei das Entfernen der Segmente durch Lösen des inneren Lanzenrohrs 22 (in Richtung des senkrechten Pfeils 44 in 7) zum Trennen der oberen und unteren ringförmigen Fläche 26, 28 und Wegziehen der Segmente radial nach außen in die Richtung des horizontalen Pfeils 46 in 7 ermöglicht wird. Wie gesehen werden kann, können die Segmente 42 entfernt werden, ohne vollständig die Lanze 10 zu zerlegen. Somit kann ein verunreinigter ringförmiger Düsenbereich 30 oder ein Segment 42 davon leicht entfernt werden und ein neuer Düsenbereich 30 oder ein Segment 42 eingefügt werden. Das innere Lanzenrohr 16 kann schnell wieder gespannt werden, wobei der ringförmige Düsenbereich 30 in seine Stellung geklemmt wird.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 7 und in anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst der ringförmige Düsenbereich 30 zwei halbkreisförmige Segmente 42, wobei jedes einen Bogen von ungefähr 180 Grad beschreibt. Um ein einfaches Entfernen von Segmenten zu ermöglichen, sollten sie jedes einen Winkel von 180 Grad oder weniger beschreiben, obwohl die zulässige Länge des Bogens zumindest teilweise durch den Durchmesser des unteren Endes des inneren Lanzenflansches 22 bestimmt ist. Obwohl zwei Segmente 42 in der Zeichnung gezeigt sind, kann der ringförmige Düsenbereich 30 drei oder mehr Segmente 42 umfassen. Die Länge der Segmente 42, die den ringförmigen Düsenbereich 30 bilden, muss nicht notwendigerweise gleich sein. Außerdem sei verstanden, dass es wünschenswert sein kann, Zwischenräume zwischen benachbarten Segmenten 42 vorzusehen, beispielsweise um zusätzliche Gasauslässe 24 vorzusehen, obwohl die Enden der Segmente in Kontakt miteinander sein können.
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Im Folgenden wird eine Beschreibung von verschiedenen Konfigurationen des ringförmigen Düsenbereichs 30 gegeben.
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In dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines ringförmigen Düsenbereichs 30 dargestellt, der ein schablonenartiges Aussehen mit Gasauslässen 24 hat, die durch eine Vielzahl von bearbeiteten Öffnungen definiert sind, die sich vollständig durch den Düsenbereich 30 erstrecken. Obwohl der ringförmige Düsenbereich 30 der 4 bis 6 als aus zwei Segmenten bestehend gezeigt ist, sei verstanden, dass er einen kontinuierlichen Ring umfassen kann oder dass er drei oder mehrere Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann.
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Der ringförmige Düsenbereich 30 der 4 bis 6 ist in Form einer flachen Platte ausgebildet, die eine obere Fläche 48, angepasst zur oberen ringförmigen Abdichtfläche 26 abzudichten, und eine untere Fläche 50, angepasst zur unteren ringförmigen Fläche 28 abzudichten, aufweist. Der ringförmige Düsenbereich 30 umfasst außerdem eine Außenfläche 52 und eine Mehrzahl von Gasauslässen 24. Jeder Gasauslass 24 umfasst einen offenen Kanal 54, der ein inneres Ende 56 und ein äußeres Ende 58 aufweist, das an der Außenfläche 52 des ringförmigen Düsenbereichs 30 liegt. Jeder offene Kanal 54 ist in Strömungsverbindung mit dem ersten Gasströmungskanal 18 an seinem inneren Ende 56.
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In den 4 bis 6 erstreckt sich jeder offene Kanal 54 über die Höhe des ringförmigen Düsenbereichs 30, d.h., von der oberen Fläche 48 zu der unteren Fläche 50. Wenn daher der ringförmige Düsenbereich 30 der 4 bis 6 zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 abgedichtet ist, wird jeder Gasauslass 24 durch den offenen Kanal 54 und durch sowohl der oberen als auch der unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 begrenzt, derart, dass jeder Gasauslass 24 eine durch die obere ringförmige Abdichtfläche 26 begrenzte obere Seite, einen durch die untere ringförmige Abdichtfläche 28 begrenzten Boden und gegenüberliegende, durch die Seiten des offenen Kanals 54 begrenzte Seiten aufweist.
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Wie nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert wird, können die ringförmigen Düsenbereiche 30, die hier beschrieben sind, außerdem Mittel zum Positionieren und Instellunghalten des Düsenbereichs 30 zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 enthalten. In dieser Hinsicht kann aus 2 erkannt werden, dass der innere Lanzenflansch 22 eine Schulter 60 einschließen kann. Der ringförmige Düsenbereich 30 umfasst eine innere Stirnfläche 62, die gegen die Schulter 60 stößt, wenn der ringförmige Düsenbereich 30 oder seine Segmente 42 an dem inneren Lanzenflansch 22 in Stellung gebracht ist, wodurch sie in die richtige Position gebracht werden.
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Wie aus der 2 zu erkennen ist, schließt außerdem der ringförmige Düsenbereich 30 ein Innenteil 64 und ein Außenteil 66 ein, wobei das Außenteil 66 radial zu dem Innenteil 64 gesehen außen liegt. Wenn sie in der Lanze 10 installiert sind, ist das Außenteil 66 im abgedichteten Eingriff mit und zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28, während das Innenteil 64 radial innenliegend zu der oberen ringförmigen Abdichtfläche 26 ist.
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Wie am besten im Detail A der 2 zu sehen ist, ist die obere Fläche 48 des ringförmigen Düsenbereichs 60 mit einer Ringschulter 68 versehen, die das Innenteil 64 und das Außenteil 66 trennt und die sich nach oben entlang der Achse A von dem Außenteil 66 zu dem Innenteil 64 des ringförmigen Düsenteils 30 erstreckt, derart, dass das Innenteil 64 dicker ist als das Außenteil 66. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Schulter 68 diskontinuierlich und durch die offenen Kanäle 54 unterbrochen. Es sei jedoch verstanden, dass die Schulter 68 die Kanäle 54 überbrücken kann.
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Die Schulter 68 weist einen Durchmesser auf, der leicht geringer ist als der Innendurchmesser an der unteren Kante 36 des Verteilungskegels 32, derart, dass die Schulter 68 in die untere Kante 36 des Verteilungskegels 32 passt und mit ihm im Eingriff ist. Dies hilft, den ringförmigen Düsenbereich 30 genau zu positionieren und ihn in Stellung zu halten und zu verhindern, dass er als Ergebnis eines positiven Drucks in des Kopfes der Lanze 10 ausgeworfen wird. Obwohl die untere Fläche 50 des ringförmigen Düsenbereichs 30 so aussieht, als ob sie eben ist, sei verstanden, dass die Halteschulter 68 auf der unteren Fläche 50 anstelle der oberen Fläche 48 vorgesehen sein kann.
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Um eine Strömungsverbindung zwischen den Gasauslässen 24 und dem ersten Gasströmungskanal 18 vorzusehen, erstreckt sich der offene Kanal 54 durch das gesamte äußere Teil 66 des ringförmigen Düsenbereichs 30, von der Außenfläche 52 zu der Schulter 68, und der offene Kanal 54 erstreckt sich auch von der Schulter 68 nach innen in das Innenteil des ringförmigen Düsenbereichs 30. Somit sieht der Bereich jedes offenen Kanals 54, der zu der Schulter 68 innenliegens ist, einen Einlass in jeden Gasauslass 24 vor.
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Die 8 bis 10 stellen einen ringförmigen Düsenbereich 30 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel dar. Der ringförmige Düsenbereich 30 des zweiten Ausführungsbeispiels kann einen durchgehenden Ring, wie in 8 umfassen, oder kann zwei oder mehrere Segmente 42, wie in 9 gezeigt, umfassen. Es sei auch verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich 30 drei oder mehr Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der 8 bis 10 schließt viele der gleichen Elemente wie das Ausführungsbeispiele der 4 bis 6 ein, die durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert sind.
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In dieser Hinsicht umfasst der ringförmige Düsenbereich 30 der 8 bis 10 eine ringförmige Platte mit einer schablonenartigen Erscheinung, die eine obere Fläche 48, die mit einer die Platte in ein inneres und ein äußeres Teil 64, 66 trennende Ringschulter 68 versehen ist, eine untere Fläche 50, eine Außenfläche 52 und eine Innenfläche 62 aufweist.
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Der ringförmige Düsenbereich 30 der 8 bis 10 schließt eine Mehrzahl von Gasauslässen 24, einschließlich einer Mehrzahl von oberen Gasauslässen 24' und eine Mehrzahl von unteren Gasauslässen 24" ein.
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Jeder obere Gasauslass 24' umfasst einen offenen Kanal 54', der in der oberen Fläche 48 des ringförmigen Düsenbereichs 30 ausgebildet ist, wobei der offene Kanal 54' an der oberen Fläche 48 des ringförmigen Düsenbereichs 30 offen ist. Wenn daher der ringförmige Düsenbereich 30 zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 abgedichtet ist, wird jeder obere Gasauslass 24' durch den offenen Kanal 54' und durch die obere ringförmige Abdichtfläche 26 begrenzt, derart, dass jeder obere Gasauslass 24' ein oberes Teil, das durch die obere ringförmige Abdichtfläche 26 begrenzt ist, einen Boden, der durch die Bodenfläche des offenen Kanals 54' begrenzt ist, und gegenüberliegenden Seiten, die durch Seiten des offenen Kanals 54' begrenzt sind, aufweist.
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Jeder untere Gasauslass 24" umfasst einen offenen Kanal 54", der in der unteren Fläche 50 des ringförmigen Düsenbereichs 30 gebildet ist, wobei der offene Kanal 54" an der unteren Fläche 50 des ringförmigen Düsenbereichs 30 offen ist. Wenn daher der ringförmige Düsenbereich 30 zwischen der oberen und unteren ringförmigen Abdichtfläche 26, 28 abgedichtet ist, wird jeder untere Gasauslass 24" durch den offenen Kanal 54" und durch die untere ringförmige Abdichtfläche 28 begrenzt, derart, dass jeder untere Gasauslass 24" ein durch eine obere Fläche des offenen Kanals 54" begrenztes Oberteil, einen von der unteren ringförmigen Abdichtfläche 28 begrenzten Boden und gegenüberliegende Seiten, die durch die Seiten des offenen Kanals 54" begrenzt werden, aufweist.
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Die oberen und unteren Gasauslässe 24' und 24" sind zwischen ihren inneren und äußeren Enden 54, 58 voneinander getrennt und es kann gesehen werden, dass die inneren Enden 56 der Auslässe 24' und 24" sich nach innen zu dem Innenteil 64 des ringförmigen Düsenbereichs 30 erstrecken. Von den inneren Enden 56 der Auslässe 24' und 24" liegend sind Verbindungsöffnungen 70 vorgesehen, die sich von der oberen Fläche 48 zu der unteren Fläche 50 erstrecken, d.h. vollständig durch den ringförmigen Düsenbereich 30. Diese Verbindungsöffnungen 70 sehen eine Strömungsverbindung zwischen dem ersten Gasströmungskanal 18 und den oberen und unteren Gasauslässen 24' und 24" vor.
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Es kann aus den 8 bis 10 erkannt werden, dass jede Verbindungsöffnung 70 in Strömungsverbindung mit mindestens einem der oberen Gasauslässe 24' und mindestens einem der unteren Gasauslässe 24" sein kann. Beispielsweise ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jede Verbindungsöffnung 70 in Strömungsverbindung mit einem der oberen Gasauslässe 24' und mit zwei der unteren Gasauslässen 24".
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Obwohl das Ausführungsbeispiel nach den 8 bis 10 sowohl untere als auch obere Gasauslässe 24' und 24" einschließt, sei verstanden, dass andere Ausführungsbeispiele nur obere Gasauslässe 24' oder untere Gasauslässe 24" einschließen können.
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In dem Ausführungsbeispiel der 8 bis 10 sind die oberen Gasauslässe 24' in einer oberen Reihe angeordnet, die sich um den Umfang des ringförmigen Düsenbereichs 30 erstreckt, und die unteren Gasauslässe 24" sind in einer unteren Reihe angeordnet, die sich um den Umfang des ringförmigen Düsenbereichs 30 erstreckt. In verschiedenen Ausführungsbeispielen, von denen einige hier beschrieben sind, können sich die oberen Gasauslässe 24' hinsichtlich eines oder mehrerer der folgenden Aspekte von den unteren Gasauslässen 24" unterscheiden:
- (a) Querschnittsfläche;
- (b) Anzahl;
- (c) Winkel relativ zur Längsachse; und
- (d) Winkel relativ zur radialen Richtung.
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In den
8 bis
10 unterscheiden sich die oberen und unteren Gasauslässe
24',
24" voneinander in der Anzahl (die oberen Auslässe
24' weisen eine kleinere Anzahl auf) und hinsichtlich des Querschnittsbereichs (die oberen Auslässe
24' haben einen größeren Flächenbereich). Somit können die unteren Auslässe
24" einen kleineren Flächenbereich und eine kleinere Durchflussrate haben, wodurch ein Hochgeschwindigkeitseinspritzstrahl geliefert wird, der in der Lage ist, unter den oberen Auslässen
24 liegende Partikel-Rezirkulationszonen zu durchbrechen. Obwohl die unteren Auslässe
24" langsam mit der Zeit verstopfen, werden sie als Opferluftdüsen für die oberen Auslässe
24 dienen, die den größten Teil des aus der Lanze
10 ausströmenden und in den umgebenden Reaktionsschacht (nicht gezeigt) einströmenden Verteilungsluftstrom liefern. Dagegen implementiert das US-Patent
US 6 238 457 ein mehrreihigen Düsendesign, aber nur um die resultierende schirmartige Verteilung des Aufgabematerials zu verbessern, ohne irgendeinen Anspruch, das Anliegen des Verstopfen über Opferdüsen hoher Geschwindigkeit und niedrigen Durchflusses zu nutzen.
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Die 11 bis 13 stellen einen ringförmigen Düsenbereich 30 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel dar. Der ringförmige Düsenbereich 30 des dritten Ausführungsbeispiels kann einen durchgehenden Ring, wie in 11, umfassen oder er kann aus zwei Segmenten 42 zusammengesetzt sein, wie in 12 gezeigt ist. Es sei auch verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich 30 drei oder mehr Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der 11 bis 13 umfasst viele der gleichen Elemente wie die Ausführungsbeispiele 4 bis 6 und 8 bis 10, und diese Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen identifiziert.
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Das Ausführungsbeispiel der 11 bis 13 ist in ähnlich zu dem der 4 bis 6, wobei jeder offene Kanal 54 sich über die Höhe des ringförmigen Düsenbereichs 30 erstreckt, d.h. von der oberen Fläche 48 zu der unteren Fläche 50. Das Ausführungsbeispiel der 11 bis 13 umfasst ebenfalls eine Ringschulter 68, die im Gegensatz zu den 4 bis 6, in denen sie unterbrochen ist, in Form eines durchgehenden Rings ausgebildet ist, der die offenen Kanäle 54 entlang der oberen Fläche 48 des ringförmigen Düsenbereichs überbrückt.
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Das Ausführungsbeispiel der
11 bis
13 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der
4 bis
6 darin, dass die Gasauslässe
24 gekrümmt sind und sie sind alle relativ zu der radialen Richtung gewinkelt, um so einen wirbelnden tangentialen Gasstrom zu erzeugen, der von der Lanze
10 in den umgebenden Reaktionsschacht ausgestoßen wird. Dieser erhöhte Wirbel und die erhöhte Turbulenzintensität in dem Reaktionsschacht resultiert in einer verbesserten Verbrennung. Die US-Patentanmeldung
US 2011/0074070 A1 (Yasuda et al) offenbart eine Einspritzdüse einer Verteilungsluftvorrichtung, die einen spiralförmigen Strom durch gerade Löcher liefert, die bei einem Winkel unterschiedlich zur Senkrechten zu der Außenfläche des Verteilungsrings gebildet werden. Da jedoch Yasuda et al. gerade Löcher verwendet, kann nahezu keine Verteilungsluftströmung bei einem kleinen Winkel zur Tangentenfläche des kreisförmigen Verteilungsrings geliefert werden, wodurch die maximale Wirbelintensität, die erreicht werden kann, begrenzt ist. Die gekrümmten und gewinkelten Gasauslässe
24 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, gezeigt in den
11 bis
13, liefern eine zusätzliche Wirbelintensität der Verteilungsluft.
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Die 14 bis 16 stellen einen ringförmigen Düsenbereich 30 entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel dar. Der ringförmige Düsenbereich 30 des vierten Ausführungsbeispiels kann einen durchgehenden Ring wie in 14 umfassen oder er kann aus zwei Segmenten 42, wie in 15 gezeigt, zusammengesetzt sein. Es wird auch verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich drei oder mehrere Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der 14 bis 16 umfasst viele der gleichen Elemente wie die Ausführungsbeispiele 4 bis 6 und 8 bis 13, und diese Elemente werden durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert.
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Das Ausführungsbeispiel der 14 bis 16 ist ähnlich zu dem der 8 bis 10 dahingehend, dass es eine Reihe von oberen Gasauslässen 24' und eine Reihe von unteren Gasauslässen 24" umfasst. In dem Ausführungsbeispiel der 14 bis 16 entsprechen die oberen und unteren Gasauslässe 24' und 24" hinsichtlich der Anzahl und dem Querschnittsflächenbereich einander. Allerdings variieren in diesem Ausführungsbeispiel die individuellen Gasauslässe 24' und 24" hinsichtlich der Querschnittsfläche entlang ihrer Länge. Genauer gesagt, sind die Auslässe 24' und 24" in ein Profil mit einem kontrollierten konvergierenden-divergierenden Düsenöffnungsquerschnitt geformt, um Überschallgeschwindigkeiten der Austrittsluft zu erzeugen. Dies ermöglicht dem Benutzer, einen zusätzlichen Strömungsimpuls in den Reaktionsschacht bei einem niedrigeren Massendurchfluss zu liefern. Verteilungsluft, typischerweise bei einer Umgebungssauerstoffkonzentration, verdünnt die mit Sauerstoff angereicherte Luft in der Zündzone in der Nähe des Brenners. Das Verringern des Verdünnungspegels unterstützt eine höhere lokale Sauerstoffkonzentration, wodurch eine schnelle Zündung des Konzentrats erleichtert wird.
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Die 17 bis 19B stellen einen ringförmigen Düsenbereich 30 entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel dar. Der ringförmige Düsenbereich 30 des fünften Ausführungsbeispiels kann einen durchgehenden Ring wie in 17 umfassen oder er kann aus zwei Segmenten 42 bestehen, wie in den 19A–B gezeigt ist. Es sei auch verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich 30 drei oder mehrere Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der 17 bis 19B umfasst viele der gleichen Elemente wie die der Ausführungsbeispiele nach 4 bis 6 und 8 bis 16, und diese Elemente werden durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert.
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In dem Ausführungsbeispiel der 17 bis 19B umfasst der ringförmige Düsenbereich 30 ein oberes Teil 72 und ein unteres Teil 74, die durch relativ dünne Stege (nicht gezeigt) verbunden sein können. Zwischen den oberen und unteren Teilen 72, 74 ist ein einziger Gasauslass 24 in der Form eines Schlitzes vorgesehen, der sich im Wesentlichen kontinuierlich um den Umfang des ringförmigen Düsenbereichs 30 herum erstreckt. Anstelle eines einzigen kontinuierlichen Schlitzes sei verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich 30 zwei oder mehrere schlitzartige Gasauslässe 24 einschließen kann.
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Wie am besten in dem Querschnitt der 18 zu erkennen ist, weist der schlitzartige Gasauslass 24 eine variable Querschnittshöhe zwischen der Innenfläche 62 und der Außenfläche 52 des ringförmigen Düsenbereichs mit einer maximalen Höhe an der Innenfläche 62 und/oder der Außenfläche 52 und einer minimalen Höhe an einem Punkt zwischen der Innenfläche 62 und der Außenfläche 52 auf. Diese Konfiguration des Querschnitts des Gasauslasses 24, wie in den 17 bis 19B gezeigt, begrenzt eine gesteuerte konvergierende-divergierende Düsenöffnung, um Überschallgeschwindigkeiten der austretenden Luft zu erzeugen. Der betriebsbedingte Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist ähnlich dem des in den 14 bis 16 gezeigten, jedoch liefert der kontinuierliche schlitzförmige Gasauslass 24 ein gleichmäßigeres Injektionsprofil der Verteilungsluft um den Umfang der Lanze 10 herum.
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Die 20 und 21 stellen einen ringförmigen Düsenbereich 30 entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel dar. Der ringförmige Düsenbereich 30 des sechsten Ausführungsbeispiels kann einen durchgehenden Ring wie in 20 umfassen oder er kann aus zwei Segmenten 42 bestehen, wie in der 21 gezeigt. Es sei auch verstanden, dass der ringförmige Düsenbereich 30 drei oder mehr Segmente gleicher oder ungleicher Länge umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der 8 umfasst viele der gleichen Elemente wie Ausführungsbeispiele der 4 bis 6 und 8 bis 19B, und diese Elemente werden durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert.
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In dem Ausführungsbeispiel der 20 bis 21 umfasst der ringförmige Düsenbereich 30 eine kontinuierliche obere Fläche 48 zum Abdichten gegen die obere ringförmige Fläche 26, eine kontinuierliche untere Fläche 50 zum Abdichten gegen die untere ringförmige Fläche 28, eine innere Stirnfläche 62 und eine äußere Stirnfläche 52 und eine Mehrzahl von Gasauslässen 24. Jeder Gasauslass 24 ist zwischen der oberen und unteren Fläche 48, 50 des ringförmigen Düsenteils 30 angeordnet, d.h., die Seiten der Auslässe 24 sind vollständig in dem ringförmigen Düsenbereich 30 umschlossen. Die Gasauslässe 24 sind entlang des Umfangs des ringförmigen Düsenbereichs 30 beabstandet, und jeder Auslass 24 umfasst ein zylindrisches Loch, das sich von der äußeren Stirnfläche 52 des ringförmigen Düsenbereichs 30 nach innen erstreckt. Diese zylindrischen Löcher sind im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse und können durch Bohren gebildet werden.
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Es sei von den Fachleuten verstanden, dass viele Änderungen in dem Schutzbereich des beanspruchten Gegenstands möglich sind. Die Ausführungsbeispiele, die oben beschrieben wurden, sollen als beispielhaft angesehen werden und nicht als genau bezeichnend oder eingrenzend. Beispielsweise gibt es viele mögliche Geometrien, die in dem aufgeteilten Schablonendesign umgesetzt werden können, wodurch ein schnelles Ersetzen ermöglicht wird.
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Obwohl der oben genannte Gegenstand im Kontext mit Brennern für Schwebeschmelzöfen beschrieben wurde, sei verstanden, dass er auch bei anderen Brennern für pulverförmiges Aufgabematerial angewandt werden kann, wie Brenner für Öfen, die durch pulverisierte Kohle beschickt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4147535 [0007]
- US 6238457 [0073]
- US 2011/0074070 A1 [0076]
