DE2511669A1 - Brennstoff-einspritzlanze - Google Patents

Description

UEXKÜLL & STOLBERG PATENTANWÄLTE

BESE-LEHSTHASSe 4

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

OR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Exxon Research and (Prio: 20. März 1974

Engineering Company Frankreich 7409388 - 12112)

Linden, New Jersey, USA

Hamburg^ den 17. März 1975

Brennstoff-Einspritzlanze

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Einspritzlanze für Windformen von erzaufbereitenden' öfen, insbesondere von Hochöfen.

Moderne Hochöfen weisen heutzutage in den Windformen lanzenartige Brennstoffeinspritzvorrichtungen auf, mit denen ein Hilfsbrennstoff eingespritzt werden kann. Der Hilfsbrennstoff dient nicht primär der Steigerung der zugeführten Wärmemenge, sondern der Umwandlung in Reduktionsgase für die Erzgewinnung in öfen. Auf diese Weise ist es möglich, den Ofen mit einer geringen Menge von festem Reduktionsmittel, nämlich dem teuren Hüttenkoks, zu betreiben. Der verwendete Hilfsbrennstoff ist üblicherweise ein flüssiger oder verflüssigter Brennstoff, beispielsweise ein Destillat; ein leichtes oder schweres Heizöl oder Emulsionen dieser Brennstoffe mit Wasser, beispielsweise als Wasser-in-Öl-Emulsionen; Teere einschließlich dampf-gecrackter und anderer gecrackter Mineralölteere sowie deren Emulsionen.

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Üblicherweise wird der Hilfsbrennstoff durch eine rohrförmige Lanze mit einem Durchmesser von 6 bis 25 mm eingespritzt. Die Spitze der Lanze ist zu einer Einspritzdüse ausgebildet und liegt im Betriebszustand im wesentlichen auf der Achse der Windform. Der Innendurchmesser der Windform beträgt an diesem Punkt für gewöhnlich etwa 120 bis 250 mm. Die Lanzenspitze taucht im Betriebsfall in die durch die Windform durchtretende Gebläseluft, deren Temperatur beispielsweise zwischen 700 und 1350 C liegt und deren Strömungsgeschwindigkeit 100 bis 300 m/s bei 2 bis 3 bar beträgt. Es verbleibt für den aus der Einspritzdüse austretenden Brennstoff praktisch keine Zeit, sich vor dem Erreichen der Verbrennungszone an der Auslaßöffnung der Windform zu vermischen. Die schlechte Verteilung des Brennstoffes in der Gebläseluft kann eine ungleichmäßige und unvollständige Verbrennung bewirken, wodurch die Rußbildung gefördert wird. Man hat versucht, dies durch verbesserte Ausbildung der Lanze oder der Lanzenspitze zu unterbinden und die Wirksamkeit des eingesprühten Brennstoffes zu erhöhen. Solche Versuche führten jedoch bislang nur zu einer geringen Verbesserung der Brennstoffverteilung in der Gebläseluft.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine verbesserte Brennstoffverteilung in der Gebläseluft erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Brennstoff-Einspritzlanze der eingangs erwähnten Art, welche gekennzeichnet ist durch ein

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Kopfstück mit mindestens drei verteilt angeordneten Brennstoff-

die.
Austrittsöffnungen ,7bei betriebsfähiger Anordnung des Kopfstückes

in der Windform zwischen deren Achse und deren Innenwand liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der größte Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen in einer senkrecht zur Achse der Windform verlaufenden Ebene.

Insbesondere sind die Brennstoff-Austrittsöffnungen so angeordnet, daß Brennstoff- bezogen auf die Achse der Windform radial, vorzugsweise radial nach außen einspritzbar ist.

Andere Anordnungen der Brennstoff-Austrittsöffnungen sind natürlich ebenfalls möglich. So könnten alle oder nur ein Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen den Brennstoff in bezug auf die Gebläseluft stromabwärts einspritzen. In diesem Fall sollte der mit der Achse der Windform eingeschlossene Winkel normalerweise groß sein, zweckmäßigerweise mehr als 30 , günstigerweise mindestens 45° und vorzugsweise mindestens 70° betragen. Alle oder nur ein Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen kennen den Brennstoff bezüglich der Gebläseluft, falls gewünscht, stromaufwärts einspritzen. Auch in diesem Fall sollte der Einspritzwinkel zur Achse der Windform groß sein.

Erfindungsgemäß wird eine gleichmäßige Anordnung der Brennstoff-Auslaßöffnungen um die Achse der Windform bei betriebsfähiger

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Anordnung des Kopfstückes der Brennstoff-Einspritzlanze am meisten bevorzugt.

Hierfür sind verschiedene Anordnungen möglich. So können die Brennstoff-Auslaßöffnungen beispielsweise gleichmäßig auf mehreren konzentrischen Kreisen verteilt sein, deren Mittelpunkte auf der Achse der Windform liegen. Eine solche Verteilung der Brennstoff-Austrittsöffnungen läßt sich günstigerweise durch die Ausbildung einer bekannten, geraden, rohrförmigen Lanze zu einem kreis- oder spiralförmigen Ende erreichen, das vorzugsweise im wesentlichen in einer Ebene liegt. Günstigerweise liegen die Brennstoff-Auslaßöffnungen auf einem einzigen Kreis, dessen Radius 1/3 bis 2/3 des Radius der Windform am Orte des betriebsfähig eingesetzten Kopfstückes beträgt, üblicherweise finden 3 bis 12 Brennstoff-Auslaßöffnungen Verwendung. Ihr Durchmesser hängt von verschiedenen Faktoren ab; hierzu gehören beispielsweise der Durchfluß des einzuspritzenden Brennstoffes, sein Druck und seine Viskosität. Jede Erhöhung der Anzahl der Brennstoff-Austrittsöffnungen verstärkt eine gute Brennstoffverteilung in der durch die Windform tretenden Gebläseluft. Bei Erhöhung der Anzahl der Brennstoff-Austrittsöffnungen muß deren Durchmesser jedoch entsprechend vermindert oder der Druck erhöht werden, mit dem der Brennstoff der Brennstoff-Einspritzlanze zugeführt wird.

In der Praxis werden vorzugsweise Brennstoff-Austrittsöffnungen von mindestens 0,12 mm Durchmesser gewählt. Günstig sind Brennstoff-Austrittsöffnungen mit Durchmessern von 1 bis 2 mm. So

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können beispielsweise für ein leichtes Heizöl 3 bis 7 Brennstoff-Austrittsöffnungen mit 1,3 bis 2 mm Durchmesser oder 8 bis 12 Brennstoff-Austrittsöffnungen mit 1,0 bis 1,3 mm Durchmesser Anwendung finden. Für ein schweres Heizöl haben die Brennstoff-Austrittsöffnungen normalerweise Durchmesser von etwa 2 mm.

Die erfindungsgemäß Brennstoff-Einspritzlanze kann in einer auf bekannte Weise ausgebildeten Windform verwendet werden, die stromabwärts ein wenig zusammenläuft. Sie kann jedoch ebenso in den modernen zusammen- und auseinanderlaufenden Windformen eingesetzt werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung eine Windform und/oder einen erzaufbereitenden Ofen, beispielsweise einen Hochofen, mit Windform umfaßt, deren Windform die hierin beschriebene Brennstoff-Einspritzlanze aufweist. Darüber hinaus umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu einer Windform eines erzaufbereitenden Ofens, beispielsweise eines Hochofens, bei dem der Brennstoff mittels der hierin beschriebenen Brennstoff-Einspritzlanze zugeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert :

Figur 1,2 und 3 zeigen einen schematischen Querschnitt durch eine Windform 22 entlang einer im rechten Winkel zu deren Achse verlaufenden Ebene. Sie zeigen mögliche Verteilungen der Brennstoff-Austrittsöffnungen 21 in der Windform 22.

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Die Brennstoff-Einspritzlanze kann beispielsweise drei auf dem Umfang eines Kreises liegende Brennstoff-Austrittsöffnungen 21 aufweisen, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Windform liegt und die jeweils um 120 zueinander versetzt sind,- der Durchmesser dieses Kreises beträgt im wesentlichen etwa 1/3 des Durchmessers der Windform 22.

Figur 2 zeigt vier um 90 versetzte Brennstoff-Austrittsöffnungen

Figur 3 zeigt sechs um 60 versetzte und auf zwei konzentrischen Kreisen mit den Mittelpunkten auf der Achse der Windform angeordnete Brennstoff-Austritfcsöffnungen 21. Jeweils drei der Brennstoff-Austrittsöffnungen 21 liegen auf einem Kreis.

Figur 4 zeigen zwei erfindungsgemäße Kopfstücke der Brennnstoff-Ein^{un J} spritzlanze in schematischer Darstellung«.

In Figur 4 ist das Kopfstück 23 bezüglich der Windform in Längsrichtung sowie auch im rechten Winkel dazu dargestellt. Das Kopfstück 23 besteht aus einem zu einem Torus-Segment geformten Rohr mit einer bestimmten Anzahl von gleichmäßig verteilten Brennstoff-Austrittsöffnungen 21, die in einer im wesentlichen im rechten Winkel zur Wand der Windform stehenden Ebene liegen. Ein Ende des Torus ist verschlossen, während das andere über einen im wesentlichen spiralförmigen Rohrbogen 25 mit dem Lanzenstiel 24 verbunden ist.

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In Figur 5 ist eine andere Ausfuhrungsform des Kopfstückes 26 schematisch dargestellt. Dieses Kopfstück besteht aus einem zu einem Torus geformten Rohr, das durch die Arme 28 mit dem Lanzenstiel 27 verbunden ist. Am Umfang des Torus ist eine Anzahl in gleichem Abstand zueinander liegender Brenristoff-Aus- · trittsöffnungen 21 so angeordnet, daß Brennstoff in einer im wesentlichen senkrecht zur Wand der Windform 22 stehenden Ebene einspritzbar ist.

Figur 6 zeigt ein dem Kopfstück aus Figur 4 sehr ähnliches Lanzen-Kopfstück 29. Es weist jedoch eine weitere Brennstoff-Austrittsöffnung 211 auf, durch die im Betriebsfall Heizöl nach innen in Richtung auf die Achse der Windform einspritzbar ist. Der Mittelpunkt des Kopfstückes 29 liegt dabei auf der Achse der Windform. Falls gewünscht, kann zur Steigerung der radial nach innen eingespritzten Heizölmenge eine weitere Brennstoff-Austrittsöffnung vorgesehen sein, die allgemein durch das Bezugszeichen 212 angedeutet ist. Vorzugsweise liegen die Brennstoff-Austrittsöffnungen 211 und 212 diametral gegenüber.

Figur 7 zeigt schematisch zwei Einspritzmöglichkeiten für Brennstoff in eine Windform 22 unter Verwendung des Kopfstückes 29 aus Figur 6.

Das Kopfstück 23, 26 oder 29 ist auf geeignete Weise mit dem Lanzenstiel 24 oder 27, beispielsweise durch Verschrauben oder Verschweißen verbunden.

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Der Durchmesser und die Stärke des Kopfstückes 23, 26 oder 29 liefen in derselben Größenordnung wie für den Lanzenstiel 24 oder 27. Beispielsweise kann es aus einem Rohr mit einem Durchmesser von 6 mm gebildet sein.

Hochcfen-Windformen sind mit geeigneten Lanzen-Eintrittsöffnungen zum Einsetzen und Austauschen von rohrförmigen Brennstoff-Einspritzlanzen versehen. Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Brermstoff-Einspritzlanzen müssen natürlich an den Eintrittsöffnungen gewisse Änderungen vorgenommen werden, damit das vergrößerte Kopfstück 23, 26 oder 29 einsetzbar ist.

Figur 8 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einöß Düsenstockes mit Windform und eine Vorrichtung, die das Einsetzen und Herausnehmen der erfindungsgemäßen Brennstoff-Eincpritzlanze gestattet.

Die Windform weist eine Eintrittsöffnung 33 mit einer Ventilkammer 34 auf. Im Betriebsfall liegt die Brennstoff-Einspritzlanze 35 in der Eintrittsöffnung 33 und tritt durch das Ende der Ventilkammer 34. In dieser Lage drückt die Brennstoff-Einspritzlanze 35 ein außerhalb der Ventilkammer 34 mit einem Gegengewicht 37 versehenes Ventilelement 36 in eine "Offen"-Stellung. In dieser Stellung des Ventilelementes 36 ist das Gegengewicht 37 hochgehalten.

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Der Abschluß der Ventilkammer 34 ist durch einen den Lanzenstiel der Brennstoff-Einspritzlanze 35 dichtenden Verschluß 38 verschließbar. Der Verschluß 38 wird durch eine Feder 39 in seine Verschlußstellung gedrückt, die zwischen dem Verschluß 38 und einem an der Ummantelung 41 der Windform angebrachten Sitz 40 liegt.

Zum Entfernen der Brennstoff-Einspritzlanze 35 wird diese soweit zurückgezogen, bis ihr Kopfstück das Ventilelement 36 erreicht. Dann wird das Ventilelement 36 durch Anheben des Gegengewichtes 37 vollständig geöffnet. Nun kann das Lanzen-Kopfstück über das Ventilelement 36 hinaus zurückgezogen werden, wonach das Gegengewicht unter Einfluß der Schwerkraft herunterfallen kann und das Ventilelement 36 in die "Verschlossen"-Stellung drückt. Schließlich wird der federbeschwerte Verschluß 38 abgenommen und das Kopfstück vollständig herausgezogen.

Mit der erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspritzlanze ist eine sehr gleichmäßige Brennstoffverteilung in der Windform erreichbar. Dies gibt eine ganz wesentliche Steigerung der Brennstoffzerstäubung durch die Gebläseluft und damit eine wesentlich vollständigere Verbrennung bei gleichzeitiger Verminderung der unerwünschten Rußbildung.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Brennstoff-Einspritzlanze für Windformen von erzaufbereitenden

-öfen, insbesondere von Hochöfen, gekennzeichnet durch ein Kopfstück (23, 26, 29} mit mindestens drei zweckmäßig verteilt angeordneten Brennstoff-Äustrittsöffnungen {21}, die bei betriebsfähiger Anordnung des Kopfstückes in der Windform (22) zwischen deren Achse und deren Innenwand liegen.

2. Brennstoff-Einspritzlanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der größte Teil der Brennstoff-Austrittsöffnungen (21) in einer senkrecht sur Achse der Windform (22) verlaufenden Ebene liegt«,

3. Brennstoff-Einspritslanze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Austrifctsöffnungen (21) so angeordnet sind, daß Brennstoff.- bezogen auf die Achse der Windform (22),radial, vorzugsweise radial nach außen einspritzbar ist.

4. Brennstoff-Einspritzlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Brennstoff-Austrittsoffnungen (21) gleichmäßig um die Achse der Windform (22) verteilt sind.

5. Brennstoff-Einspritzlanze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Austrittsöffnungen (21) auf einem Kreis mit dem Mittelpunkt auf der Achse der Windform

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6. Brennstoff-Einspritzlanze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Kreises der Brennstoff-Austrittsöffnungen (21) etwa 1/3 bis 2/3 des Radius der Windform (22) am Ort des betriebsfähig eingesetzten Kopfstückes (23, 26, 29) beträgt.

7. Brennstoff-Einspritzlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch drei bis zwölf Brennstoff-Austrittsöffnungen (21) .

8. Brennstoff-Einspritzlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Austrittsöffnungen (21) einen Durchmesser von 1 bis 2 mm haben.

9. Verwendung einer Brennstoff-Einspritzlanze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Einspritzen von Brennstoff in eine Windform eines erzaufbereitenden Ofens, insbesondere eines Hochofens.

su:hu:bü

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