DE2149057A1 - Verfahren und Duese zur Einfuehrung von Hilfsbrennstoffen in einen Hochofen - Google Patents

Description

DR.-ING. EUGEN MA(ER

PATENTANWALT 2 I *T 3 O 5 7

DRESDNER BANK AS' FELtFON: (O7«)a«a7ei/a STUTTQART NR. 3βΟ8*> MENTOR 7 STUTTGARTt, PI SC H E KSTR. 19 POSTSCHECK 3Τβτ. aeaoo

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INSTITÜO? BE RECHERCHES SE LA SH2ERURGIE PRAIfCAISE 185» rue Präsident Roosevelt, Saint Germain-en-laye

Irankreich

Verfahren und Düee zur Einführung von Hilf abrennstoffen in einen Hochofen

Sie Erfindung betrifft die Einführung eines flüssigen Hilfsbrennstoff s in einen Hochofen als Ersats eines Heiles' des Kokses, der als Reduktionsmittel verwendet wird· »

Der mindestens teilweise Ersats des metallurgischen Kokses, der im Hochofen in der Eigenschaft als Reduktion»-

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mittel der aus Oxyden bestehenden Eisenerze verwendet wird, bildet den Gegenstand zahlreicher Forschungen der Stahlwerker. Dieses Problem spitzt sich wegen der Schwierigkeiten der Beschaffung von Koks mehr und mehr zu· Man hat daher versucht, diesen Koks weitestgehend durch einen billigen Hilfsbrennstoff zu ersetzen, der geeignet ist, bei der Verbrennung Reduktionsgase zu liefern oder durch die Wärmewirkung in Reduktionsgas· umgewandelt zu werden« Sie in Betracht gezogenen Forschungemethoden haben sieh entweder auf die Anbringung von Einspritzvorrichtungen für flüssigen Brennstoff, wie z.B. Heizöl, an den Düsen, die zur Ausrüstung der Hochöfen gehören, oder auf den Einbau von Bronnern, die zur Sicherung der Verbrennung des Heizöl· gestimmt sind, parallel zu diesen Düsen beschränkt· Dl·/·« Forschungen haben es ermöglicht, Vorrichtungen zu verwirklichen, die in gewissem Umfang die Einspritzung des Heizöls in den Hochofen gestatten. Indessen hat das Experiment sehr bald eine Beschränkung für diese Techniken hinsichtlich der Heizölmengen, die wirksam eingespritzt werden können, erkennen lassen. Tatsächlich stellt man eine sehr schnelle Verschlechterung des Austauschgrades des Kokses durch das Heizöl fest, sobald man die Menge des eingespritzten Heizöls steigert. Unter "Austtusohgrad" versteht man die Menge des Kokses,

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der durch die Verwendung der Hasseneinheit des Hilfsbrennstoff s erspart wird· Man hat eich bald darüber Rechenschaft abgelegt, daß diese Beschränkung von einer schlechten Verbrennung herrührte, die die Bildung von Kohlenstoff ruß zur Folge hat, der wegen der reduzierenden Atmosphäre in dem Hochofen unverbrannt bleibt.

um die Einspritzprobleme zu verdeutlichen, muß man zunächst die Erscheinungen erklären, die auftreten, wenn man Heizöl in einen Hochofen einspritzt. Infolge der Erhitzung des eingespritzten Brennstoffs durch den warmen Wind und der Gegenwart von Sauerstoff kann der Brennstoff folgende Umwandlungen durchmachen: Verdampfung zu schweren Kohlenwasserstoffen, die in leichte Kohlenwasserstoffe aufgespalten werden, die ihrerseits zu Wasserstoff und bisweilen zu Kohlenstoffru£ zersetzt werden· Diese auf die Erhitzung zurückzuführenden Umwandlungen führen zu Erzeugnissen, die mit mehr oder weniger bedeutenden Hengen von Sauerstoff zusammentreffen und aus diesem Grunde verbrennen können, wobei sie GO, GO₂, H₂ und HgO ergeben. An der Spitze der Düsen, wo man eine oxydierende Atmosphäre antrifft, findet eine fast ausschließliche Verbrennung zu CO₂ und H₂O statt, aber infolge der Anwesenheit von Koks sehr hoher Temperatur, der daher aktiv ist, an der

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Peripherie wird die Umgebung reduktiv, und die Gase verlassen diese Zone der Verbrennung in Form von CO und H₂, Indesaen muß man zwei Fälle der Verbrennung unterscheiden: Der erste entspricht der Verbrennung der Kohlen· Wasserstoffe zu CO und H₂ ohne Bildung von Kohlenstoff* ruß; dies ist das theoretische Ideal, dem man sich zu nähern sucht· Im zweiten Fall führt das Kracken der Kohlenwasserstoffe zur Bildung von Kohlenstoffruß, bevor die Verbrennung vollständig ist« Ein Teil des Heizöls entweicht daher aus der Verbrennungszone in Form von Wasserstoff und Kohlenstoff ruß. Dieser zweite Fall ist derjenige, dem man in der Praxis begegnet, wenn man versucht, die eingespritzten Heizolmengen mittels bekannter Vorrichtungen zu steigern«

Es versteht sich daher, daß der Austauschgrad nur in dem Haß erhöht werden kann, als die Bildung von Kohlenstoffruß vermieden wird, d.h· bis zu einer totalen Verbrennung, bevor es zum Kracken kommt. Die zur Erlangung einer vollständigen Verbrennung unerläßlichen Hauptbedingungen sind die Erzielung der bestmöglichen Mischung von Luft und Brennstoff und die Stabilisierung der Flamme·

Es zeigt sich also, daß keine der erprobten Techniken,

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sei es die Anwendung von engebauten Brennern ait mechanischer Zerstäubung des Heizöle oder mittels einer Hilfsflüssigkeit, oder auch die Anwendung von Düsen, bei denen der Wind in Drehung versetzt wird, um eine gute Mischung des SauerstofftrSgers mit dem Brennstoff zu gewährleisten, die vollständige Verbrennung von wesentlichen Heizölmengen erzielen läßt· Die Anmelderin hat einen abweichenden Veg beschriften und das Problem neu überdacht, indem sie für die Ausführung des Verfahrens Hochofen-Düsen gewählt hat, die speziell entwickelt wurden, um diese Aufgabe zu !Ssen, und auf dem Prinzip der ÜberschallstrSmung der Flüssigkeiten unter Verwendung der besonderen Eigenschaften der Stoßwellen zur Zerstäubung der Flüssigkeit basieren.

Die Erfindung bezweckt also ein Verfahren und eine Düse zu schaffen, die es gestatten, in einen Hochofen Mengen von flüssigem Hilfsbrennstoff einzuführen, die den theoretischen Mengen so nahe wie möglich kommen, sowie eine Vorrichtung, die die Ausführung dieses Verfahrens ermöglicht.

Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Einführung eines flüssigen Hilfsbrennstoff als Ersatz für den in der Eigenschaft als Reduktionsmittel verwendeten

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Koks zum Gegenstand, bei welchem die Verbrennung des Hilfebrennstoffs in den Düsen verwirklicht wird, wobei das Verfahren darin besteht, den für den Betrieb des Hochofens notwendigen Wind in die aus einem konvergierenden und einem divergierenden Teil bestehenden Düsen einzublasen, die Einblasbedingungen für den Wind zu regulieren, um den Wind örtlich auf eine Überschallgeschwindigkeit in der Düse zu bringen, und eine Stoßwelle in dem divergierenden Teil, wo man den Hilfsbrennstoff einspritzt, auszulosen, um die plötzliche Druckänderung und die Wirbels trömtmgen, die die Stoßwelle nach sich zieht, zur Zerstäubung des Brennstoffs und zu dessen Vermischung mit dem Wind auszunutzen, und schließlich das erhaltene Gemisch zu verbrennen.

Die Erfindung *iat ferner eine Hochofendüse zum Gegenstand, mit der das Einspritzen eines flüssigen Brennstoffs in den Gebläsewind und dessen vollständige Verbrennung bewirkt werden kann, und die einen konvergierenden Teil, einen Schallhals und einen divergierenden (Teil umfaßt, um den Wind örtlich auf Überschallgeschwindigkeit zu bringen, und die außerdem mit Kitteln zum Einspritzen des flüssigen Brennstoffe in den Wind - in Strömungarichtung gesehen - vor der Stoßwelle versehen ist_o

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Die Erfindung hat schließlich einen Hochofen zur Erzeugung flüssiger Schmelze zum Gegenstand, dessen Organe zum Einblasen des Windes durch Düsen gebildet werden, deren Profil geeignet ist, den Wind örtlich auf Überschallgeschwindigkeit zu bringen, und die Einsprltzaittel für *·π fKiasigftO Brennstoff aufweisen.

Die Erfindung besteht somit darin, die traditionellen Bedingungen des Einblasens von Wind in den Hochofen vollständig zu ändern und sie durch neue Formen zu ersetzen, die auf Grund spezieller wissenschaftlicher Untersuchungen ermittelt worden sind, um die Einführung großer Heizölmengen zu fordern.

Die Anmelderin hat in der Tat erkannt, daß man die zur Erzielung eines hohen Austauechgrades unerläßlichen - vorgenannten - Yerbrennungsbedinguxtgen durch Verwendung von Düsen deßStoEwellentyps erreichen kann, aber sie ist außerdem auf den Gedanken gekommen, die gesamten klassischen Düsen eines Hochofens durch nach diesem Prinzip ausgeführte Düsen zu ersetzen. Eb versteht sich, daß man auf diese Weise zu einer Gesamtgestaltung gelangt, die auf die Erlangung eines größtmöglichen Austauschgrades gerichtet ist und gleichzeitig den Einblasbedingungen

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des Windes und der Konstruktion der Düsen Rechnung trägt.

Eine Düse zur Ausführung des Verfahrens umfaßt ein wissen · schaftlich ermitteltes inneres Profil mit einem konvergierenden Teil, an den sich ein Schallhals anschließt,

" der durch einen divergierenden Teil verlängert wird» Wenn man diese Düse mit einem Gas speist, dessen Druck in Abhängigkeit von den Charakteristiken der Düse bestimmt ist, wird das Gas beschleunigt, bis es eine Überschallgeschwindigkeit erreicht, dann bildet sich eine Stoßwelle mit plötzlichem Druckabfall und. mit Rückkehr der Strömung in den Unterschallbereich. Das Vorhandensein dieser Stoßwelle hat zwei vorteilhafte Wirkungen: Einerseits kann sie eine extrem feine Zerstäubung des Brennstoffs und dessen homogene Mischung mit dem Sauerstoffträger-Gas herbeiführen, und andererseits bewirkt sie ein Festhalten der Flamme auf diesem Niveau, und daher deren gute Stabilität» Darüber hinaus erzeugt die Bildung einer Stoßwelle eine Wirbelstromzone 5, die die Homogenisierung von Brennstoff und Sauerstoffträger stark begünstigt.

Die Erfindung wird verdeutlicht durch die nachfolgende Beschreibung, die sich auf die Zeichnung bezieht, auf der die einzige Figur schematisch eine Hochofendüse im Schnitt zeigt. In der Zeichnung ist eine Hochofendüse dargestellt,, die die Einspritzung von Heizöl, ermöglicht«, hon erkennt,

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daß die Düse durch einen Metallkörper 1 gebildet wird» dessen inneres Profil aus einem konvergierenden Teil 2, einem Schallhals 3 und einem divergierenden Teil 4 besteht, der in den Hochofen mündet· Das Ende des divergierenden Teils, das mit der heißen Zone des Hochofens in Berührung steht, wird durch eine ringförmige Wasserkammer 5 gekühlt. Das Eintrittsende des konvergierenden Teils ist durch ein Übergangsrohr 6 mit dem Organ verbunden, das zur Lieferung des von den Winderhitzern kommenden heißen Windes dient.

Die Speisung der Düse mit Heizöl erfolgt durch eine Leitung 7» die in eine Ringkammer 8 mündet, von der die Kanäle 9 ausgehen, die in die Düse auf dem Niveau des Schallhalses 3 einmünden«. Hit 10 ist die Stellung der Stoßwelle in der Düse schematisch angedeutet. Es versteht sich von selbst, daß diese Ansicht nur ein Grundsatzschema darstellt, und daß die Verhältnisse zwischen den verschiedenen Teilen der Düse und zwischen deren Abschnitten nicht berücksichtigt sind, um die Darstellung zu vereinfachen. Im übrigen muß eine solche Düse natürlich in Abhängigkeit von den verschiedenen Parametern berechnet werden, die durch den Hochofen geboten sind« Daher bestehen für einen bestimmten Hochofen, der unter den gegebenen Bedingungen arbeitet., bestimmte Größenwerte ·, wie die Erz eugunga t empe-

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ratur - «it anderen Worten die Temperatur des Windes, der in die Düse eingeführt wird, das ist etwa die Temperatur auf dem Niveau des Windringes₉ ~ der etatische Ejektions«= druck (der Druck im Hochofen auf dem Niveau der Düsen) und die Maasendurchflu&leistung jeder Düse«

Aufgrund dieser Daten kann der Fachmann mittels der klassischen Formeln der Physik der Flüssigkeiten ein geeignetes Düsenprofil berechnen und den Erzeugungsdruck bestimmen, der erforderlich ist, um in der Düse einen Überschallbereich und die Bildung einer Stoßwelle hervorzurufen_o

Um die Möglichkeiten dieser Technik zu überprüfen, hat die Anmelderin Versuche mit einem vereinfachten Düsenmodell durchgeführt, wobei die Verbrennung von extraleichtem Heizöl in einem umschlossenen Raum vorgenommen und die redu«=· zierten Gase als Kriterium zum Testen der Qualität der Verbrennung analysiert wurden. Für diese Versuche hat man als Bezugspunkt eine Hochofendüse gewählt, in welche man 1o ooo nr/h. Wind bläst, und man hat eine Düse im Maßstab 1 : 5 mit - im vorliegenden Fall - einem Injektionsdruck von 1 bar ausgeführt. Man hat nun unter Berücksichtigung dieses Maßstabes 15o NmVh auf 6oo ⁰C erhitzten Wind in diese Düse eingeblasen und wachsenden Mengen von efcraleichtem Heizöl

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eingespritzt, wobei man fortlaufend die Analyse des Ver~ brennungsgases kontrolliert und das Auftreten von Kohlenstoff ^uB !'!»«ir^arrht bat, das, wie vorstehend ausgeführt wurde, das Haupthindernis für das Einspritzen großer Men« gen von Heizöl mit einem vorteilhaften Austauschgrad bildet.

Diese Versuche haben gezeigt, daß man bis zu 17o g Heizöl pro ca Luft einspritzen konnte, ohne daß sich Kohlenstoff-* ruß bildete, der nur oberhalb dieses Wertes in geringer Menge in Erscheinung trat_o

Dieses Ergebnis zeigt deutlich den unbestreitbaren Vorteil dieser Technik, da man die stöchiometrische Menge fast ver= doppeln kann, die der Heizölmenge entspricht, die man pro Nm unter Bildung von CO₂ und H₂O verbrennen kann, und die 9o g pro Nm beträgt, wobei die Verbrennung ohne Bildung von Kohlenstoffruß vor sich geht_o

Diese Tatsache wird durch die erhaltenen Ergebnisse der Ana· lyse der trockenen Verbrennungsgas«? bestätigt, deren Zusam» g folgende ist:

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co	19	%
GO2	ac *$<-
H2	12	*
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ehalt	8	*)

CPeuchtigkeitsgehalt

Man erhält ein an CO und an H₂ reiches Gas ohne Kohlenstoff ruß, dessen Zusammensetzung der theoretischen Zu· sammensetzung sehr nahekommt, die es gestattet, einen für das Ganze gleichförmigen Austauschgrad zu erreichen·

um den Vorteil des Verfahrens zu verdeutlichen, sollen nun die durch das Verfahren gebotener. Möglichkeiten mit den besten bis heute bekannten praktischen Ergebnissen verglichen weardezu, wobei der Fall dar Beschickung des Hochofens mit armem Erz (lothringischem Erz) von dem der Beschickung mit reichem Erz zu unterscheiden ist«

Bei Betrieb mit armem Erz kann man gegemiärtig 130 bis 160 kg pro Tonne Schmelze und bei Betrieb mit reichem Erz 100 bis 120 kg Heizöl pro Tonne Schmelze einspritzen. Die Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung gestattet, diese Werte auf 270 kg pro Tonne Schmelze im ersten Pail und auf 190 kg pro Tonne Schmelz» χκ zweiten Fall zu

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erhöhen, d.h. eine wesentliche Steigerung (80$ der eingespritzten Heizölmenge). Im Hinblick auf die Mengen von industriellem Koks, der in den Hochofen verwendet wird, kann man leicht den wirtschaftlichen Vorteil einer solchen Steigerung der eingespritzten Ölmengen ermessen. Außerdem ist hinzuzufügen, daß die zur Ausübung des Verfahrens erforderlichen Düsen von einfacher mechanischer Bauart Bind₉ und daß sie kein bewegliches Organ enthalten, was eine große Betriebssicherheit garantiert.

Das erfindungsgemaße Verfahren gestattet somit, in einen Hochofen größtmögliche Mengen von flüssigem Hilfsbrennstoff einzuführen und durch deren Verbrennung Gase mit maximalem Gehalt an CO und H₂ zu erhaltene

Es versteht sich von selbst, daß die vorbeschriebenen Beispiele in keiner Weise erschöpfend sind, und daß sehr viele Varianten oder Abänderungen von Einzelheiten, ebenso wie die Verwendung äquivalenter Mittel möglich sind* ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

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Claims (3)

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   Patentansprüche

   1· Verfahren zum Einführen eines flüssigen Hilfsbrenn~ ßtoffs in einen Hochofen als Ersatz für einen feil des im Hochofen in seiner Eigenschaft als Reduktionsmittel verwendeten Kokses, wobei die Verbrennung des Hilfsbrennstoffs in den Düsen erfolgt, dadurch gekennzeichnet , daß der zua Betrieb des Hochofens erforderliche Wind in die Düsen eingeblasen wird, die einen konvergierenden und einen divergierenden Teil aufweisen, daS die Einblasbedingungen für den Wind geregelt werden, um den Wind örtlich auf eine Überschallgeschwindigkeit in der Düse zu bringen und die Bildung einer Stoßwelle in des divergierenden Teil hervorzurufen, daß der Hilfsbrennstoff in den auf Überschallgeschwindigkeit gebrachten Wind eingespritzt wird, um den Brennstoff zu zerstäuben und mit dem Wind zu mischen, und daS die Verbrennung des Gemisches in der Düse bewirkt wird.

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2. 2. Hochofendüse «it Mitteln zum Einspritzen eines flüssigen Hilfsbrennstoffs in den eingeblasenen Wind und zu dessen Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse durch einen konvergierenden Teil, einen Schallhals und einen divergierenden Teil gebildet wird, um den Wind örtlich auf überschau» geschwindigkeit zu bringen, und daß die Düse in Strömungsrichtung gesehen ■=· vor der Stoßwelle *» mit Mitteln sum Einspritzen des flüssigen Brennstoffs versehen ist.
3. 3. Hochofen zur Erzeugung einer flüssigen Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Organe zum Einblasen des Windes durch Düsen gemäß Anspruch 2 gebildet v/erden.

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