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Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in
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eine Blasform Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Einspritzen von Brennstoff in eine Blasform, und spezieller ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erzielung einer verbesserten Verbrennung des Brennstoffs in
der Blasform. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Einspritzen von Brennstoff
in Hochöfen.
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In einem Hochofen wird ein Erz reduziert und geschmolzen durch Wärme,
die durch das Verbrennen von speziellem metallurgischen Koks mit vorgewärmter Luft
erzeugt wird, die am Boden des Ofens eingeblasen wird. Im allgemeinen werden das
Erz und der Koks in horizontalen Schichten angeordnet, so daß der Koks das Eisenerz
sowohl abstützt als auch aufwärmt. Während das Eisenerz in das Metall umgewandelt
wird, sinkt die Füllung des Ofens in diesem ab und wird von dessen oberen Teil her
aufgefüllt.
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Der verwendete metallurgische Koks ist teuer und nimmt außerdem ein
beträchtliches Volumen des Ofens ein, so daß die in dem Ofen herstellbare Eisenmenge
begrenzt ist.
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Es wurden daher Versuche durchgeführt, die in dem Ofen verwendete
Koksmenge zu verringern. Ein Verfahren hierzu besteht darin, einen gewissen Teil
der Wärme durch Einspritzung von Brennöl in dem Ofen zu erhalten.
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Verschiedene Lanzen aus einem Rohr, welches in einen Spritzkopf endet,
wurden für das Einspritzen des Brennstoffs vorgeschlagen. Diese Lanzen fördern und
versprühen den Brennstoff in den heißen Luftstrom oder Wind, der dem Ofen durch
Blasformen zugeführt wird, in welchen die Lanzen enden und wo die Verbrennung stattfindet.
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Die am meisten gebräuchlichen Lanzen sind schematisch in den Figuren
1 bis 3 der Zeichnung dargestellt, von welchen Fig. 1 einen Spritzkopf mit axialer
pneumatischer Zerstäubung, Fig. 2-2a einen Spritzkopf für axiale mechanische Zerstäubung
und Fig. 3-3a einen anderen Typ eines Spritzkopfes zur axialen mechanischen Zerstäubung
darstellen.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Gemisch von Treibgas und zugeführtem
Brennstoff, die koaxial zugeführt werden, am stromabwärtigen Ende der Stange 1 einen
Brennstoff strahl liefert, welcher in dem in der Blasform (nicht gezeigt) zirkulierenden
heißen Wind gleichsinnig wie dieser und in dessen Richtung mitgenommen wird.
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Im Fall der Figur 2 (Fig.2a ist die Frontansicht des stromabwärtigen
Endes der Stange la), wird der in Form eines divergenten Kegels durch das Zusammenwirken
von Druck und einer mechanischen Vorrichtung austretende Brennstoffstrahl in den
in der Blasform (nicht gezeigt) zirkulierenden heißen Wind zerstäubt.
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Bei der Variante, die in Fig. 3 dargestellt ist (Fig.3 ist eine Stirnansicht
des stromabwärtigen Endes der Stange 1b),
wird der aus der Öffnung
1c austretende Brennstoffstrahl unter Druck in den in der Blasform (nicht gezeigt)
zirkulierenden heißen Wind zerstäubt.
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Diese bekannten Stangen, welche als Axialeinspritzstangen oder -rohre
bekannt sind, haben den Nachteil, daß sie sehr lange Flammen liefern, was bei hohen
Einspritzraten zum Auftreten von Ruß führt. Dieser Ruß neigt dazu, die Verteilungskreise
zu verstopfen und zu drosseln und den Verbrennungswirkungsgrad zu verringern. Außerdem
tritt er in die abgeblasenen Ofengase und dann in die Dekantierbehälter der das
Gas waschenden Flüssigkeit ein.
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Es wurde vorgeschlagen, dieses Problem durch radiales Einspritzen
des Brennstoffes oder durch Einspritzen eines Brennstoff-Luftgemischs axial in den
Ofen zu lösen. Ein Spritzkopf für radiale Einspritzung ist in den Figuren 4-4a gezeigt,
welche schematisch eine Stange oder ein Rohr 1d zeigen, die an ihrem stromabwärtigen
Ende geschlossen ist und nahe des Endes mit einer oder mehreren radialen Öffnungen
wie 1e versehen ist. Der der Stange oder dem Rohr unter Druck zugeführte Brennstoff
formt an der Auslaßmündung dieser Öffnungen einen Brennstoffstrahl, welcher in disperser
Form abgeführt wird oder in den in der Blasform (nicht gezeigt) zirkulierenden heißen
Wind versprüht wird.
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Wenngleich durch diese radiale Einspritzung gewisse Schwierigkeiten
beseitigt werden, hat sie den Nachteil, daß sie eine hinreichend schnelle Brennstofförderung
erfordert, um das Kracken des Brennstoffs in der Stange oder den Rohr oder den Spritzkopf
und somit das Verrußen der Öffnungen durch den gebildeten Ruß zu verhindern. Wenn
jedoch die Brennstofflieferungsgeschwindigkeit ansteigt, wird es zunehmend schwierig,
eine homogene Dispersion des Brennstoffs in dem heißen Wind zu erhalten, was zu
einer unvollständigen Verbrennung des Brennstoffs und zur Erzeugung von Kohlenstoffablagerungen
führt.
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Demgegenüber wird durch die Erfindung zum Einführen von Brennstoff
in die Blasform eine Maßnahme getroffen, welche die Probleme der oben beschriebenen
gebräuchlichen axialen und radialen Systeme überwindet und welche zu einer verbesserten
Verbrennung des Brennstoffs und daher zu einer größeren Wirksamkeit und der Verringerung
von Ablagerungen führt.
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Die Erfindung schafft daher zum Einspritzen von Brennstoff in eine
Blasform ein Verfahren, bei welchem der Brennstoff in einem Strömungsmittel zerstäubt
und dann der zerstäubte Brennstoff in den Gasstrom in der Blasform in einem Winkel
zwischen 60 und 1200 zur Hauptlängsrichtung der Gasströmung eingeblasen werden.
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Das Strömungsmittel, in welchem der Brennstoff zerstäubt wird, kann
ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Beispiele für geeignete Strömungsmittel umfassen
Luft und Wasser.
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Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht,
ein homogenes Gemisch von Brennstoff und Sauerstoff enthaltendem Gas mit einem hohen
Dispersionsgrad der Brennstoffteilchen ohne Zusammenballungen in der Blasform zu
erhalten, und daß dies im praktischen Fall eine vollständige Verbrennung ermöglicht,
bei welcher die Bildung von Koks oder Ruß in den Einblasöffnungen wie auch in dem
durch die Verbrennung erzeugten Gas vermieden ist. Ein zusätzlicher Vorteil besteht
darin, daß die Ablenkung des in den Gasstrom in der Blasform eingeblasenen Strahls
das Auftreffen des Brennstoffstrahls an den Seiten der Blasform verhindert und so
eine Beschädigung der Wände vermeidet.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Einblasrohr oder die
Einblasstange mit einer Einrichtung zum Regulieren des Druckes des Strömungsmittels
und des Brennstoffs ausgestattet, was es erlaubt, im erforderlichen Maße Änderungen
durchzuführen, um die erforderliche Dispersion des Brennstoffs in dem Strömungsmittel
und den erforderlichen Ausblasdruck in die Blasform zu erhalten. Es wird auch darauf
hingewiesen,
daß bei Verwendung der Erfindung durch Verstellung der Reguliereinrichtung mit größerem
stromaufwärtigen Druck des in den Blaskopf eintretenden Strömungsmittels der Impuls
dieses Strömungsmittel-Brennstoffstrahls größer und somit der Eindringgrad und Zerstäubungsgrad
des Brennstoffs in den Gasstrom in der Blasform besser werden.
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Dies seinerseits führt zu einer kürzeren Flamme in dem Blasform-Gasstrom,
was zu einer vollständigeren Verbrennung führt, so daß die Entstehung von Ablagerungen
reduziert wird und größere Brennstoffmengen verwendet werden können.
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Die Erfindung umfaßt auch eine zum Einblasen von Brennstoff im Sinne
des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Blasstange mit einer Stange oder an dem
einen Ende verschlossenen Rohr, das versehen ist mit einer oder mehreren nahe diesem
Ende radial angeordneten Öffnungen und das eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines
Brennstoffstroms, eine Eirichtung zum Einbringen eines Strömungsmittels und eine
Zerstäubungseinrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs in dem Strömungsmittel innerhalb
des Rohres aufweist, so daß der zerstäubte Brennstoff durch die radiale Öffnung
oder die radialen Öffnungen ausgestoßen wird.
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Die verwendete Einrichtung zum Zerstäuben des Brennstoffs in dem Strömungsmittel
ist in ihrer Art abhängig von den Eigenschaften des Strömungsmittels und des Brennstoffs.
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Beispiele hierzu umfassen statische Mischer, Drehscheiben oder Drehteller
oder vorzugsweise eine Einrichtung, welche die schnelle Expansion des Strömungsmittels
dort erlaubt, wo es auf den Brennstoff trifft. In der bevorzugten Ausgestaltung
weist die Stange konzentrische Rohre auf, wobei durch das innere Rohr der Brennstoff,
und durch das äußere Rohr das Strömungsmittel zugeführt werden. Die beiden Rohre
sind so angeordnet, daß sie kurz vor der Position der radialen Öffnungen sich in
einem Kanal vereinigen, der so gestaltet ist, daß das Strömungsmittel vorzugsweise
auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt ist, wenn es mit dem Brennstoff zusammentrifft
und ihn zerstäubt.
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Die Erfindung wird nicht beschränkend unter Bezug auf die Figuren
5 bis 11 der Zeichnung erläutert, in welcher zeigt: Fig. 5 eine schematische Ansicht
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 6 eine Stirnansicht der Ausführungsform
aus Fig. 5, Fig. 7 einen Längsschnitt einer Ausführungsform der Einblasstange gemäß
der Erfindung,
Fig. 8 einen Querschnitt der Stange aus Fig. 7,
Fig. 9 und 10 Teilschnitte eines Einblasrohres, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendet werden kann, wobei unterschiedliche Stellungen des Düsenendes
gezeigt sind, und Fig.11 eine Ansicht gemäß dem Schnitt A-A in Fig. 10.
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Die Figuren 5 und 6 demonstrieren das erfindungsgemäße Verfahren.
Das Blasrohr 10 führt durch oeffnungen, die radial an seinem stromabwärtigen Ende
angeordnet sind, einen Brennstoff strahl J, der in einem Hilfsluftstrom (wie unten
ersichtlich) zerstäubt ist, in einem Winkel zwischen 60 und 1200 relativ zur Richtung
V der Gasströmung in der Blasform 11 zu. Der Strahl J wird daher durch den Strom
V zurückgelenkt und abgelenkt, so daß die Flamme F die aus Fig. 5 und 6 ersichtliche
Form hat.
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Aus den Figuren 7 und 8 sind in größerem Maßstab die Gestaltung einer
Einblasstange gemäß der Erfindung und ihre Wirkungsweise zum Liefern eines Brennstoffstrahls
ersichtlich, der in den Figuren 5 und 6 mit J bezeichnet ist. Beispielsweise Luft
wird dem Kanal 12 in der Stange oder dem Rohr 10 zugeführt, wohingegen der Brennstoff
(Brennöl, in der Zeichnung mit 'oil" bezeichnet) der inneren Düse 13 dieses Rohrs
zugeführt wird.
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Die Luft strömt durch die Leitung 14, welche den Kanal 2 mit dem Bereich
15 verbindet, wo der Brennstoff aus der Düse 13 austritt. Die Luftgeschwindigkeit
im Bereich 15 ist derart, daß ein Aerosol 16 aus dem Brennstoff in dem Bereich 15
erzeugt und aus der radialen Öffnung 17 ausgeblasen wird, die am Ende der Stange
10 ausgebildet ist.
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Das Aerosol 16 strömt in den heißen Gasstrom V in der Blasform (nicht
gezeigt) und wird mit dem Gasstrom V mitgeführt und weiter zerstäubt und darin verbrannt,
um die Flamme 18 hervorzubringen.
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Es wird bevorzugt, daß im Betrieb einer Vorrichtung des aus Fig. 7
ersichtlichen Typs die Luftgeschwindigkeit wenigstens gleich der Schallgeschwindigkeit
ist, wenn der Luftstrom mit dem Brennstoff zusammenkommt, da dies zu der angestrebten
Zerstäubung des Brennstoffs führen kann.
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Die Strecke, bis zu welcher das Aerosol 16 in den Gasstrom V eindringt,
und die Ablenkgeschwindigkeit des Aerosols 16 sind abhängig von der Größe der Öffnungen
und den Druck, bei welchem es aus der Stange 10 ausgeblasen wird, sowie von der
Geschwindigkeit des Gasstroms. Es wird bevorzugt, den optimalen, zur Verhinderung
von Zusainmenballungen des
Brennstoffs führenden Fall dadurch zu
erhalten, daß seine Geschwindigkeit bis zu seinem Austritt in den Gasstrom V zunehmend
gesteigert wird. Dieser zunehmende Geschwindigkeitsanstieg kann durch zunehmende
Verkürzung des Abstandes zwischen dem Ende des Kanals 12 und dem Auslaß 17 erreicht
werden. Es wird auch bevorzugt, daß die Geschwindigkeit des Aerosols an der Öffnung
17 im wesentlichen gleich der Schallgeschwindigkeit ist.
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Es ist außerdem zweckmäßig, die Möglichkeit zu haben, die Strecke
einzustellen, welche das Brennstoff-Strömungsmittel-Aerosol innerhalb des Rohres
durchläuft, bevor es in das heiße Gas ausgestoßen wird, denn wenn diese Strecke
zu groß ist, kann die von dem heißen Gas, welches das Rohr umströmt, herrührende
Wärme dazu führen, daß der Brennstoff krackt, wodurch möglicherweise die Düse blockiert
werden könnte.
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Die ins einzelne gehende Konstruktion von zwei möglichen Stangenausbildungen
ist im Längsschnitt aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich, in denen die auch in Fig.
7 vorhandenen Bezugszeichen sich auf die gleichen Teile beziehen. Wie ersichtlich
wird die innere Düse 13 von dem Halteteil 19 abgestützt gehalten. Die Düse verjüngt
sich zu ihrem Ende 13 hin, welches in den Zerstäubungsbereich 15 führt. Der Bereich
15
ist innerhalb des Mundstücks 20 eingeschlossen, welches ein sich verjüngendes Ede
21 bildet, das dazu beiträgt, das Aerosol in die radialen Austrittslöcher 17 hinein
abzulenken.
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Das Mundstück 20 ist lösbar an dem Körper der Stange 10 angeschraubt.
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Alternativ und wie aus Fig. 10 ersichtlich kann das Mundstück 22 als
integraler Bestandteil der Stange 10 gestaltet werden, was zu einer sehr viel kleineren
Kammer 15 und dazu führt, daß die innere Düse 13 nahe an den Austrittslöchern 17
sitzt.
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Fig. 11 stellt den Schnitt A-A aus den Figuren 9 und 10 dar und zeigt
die Gestalt der radialen Austritte 17.
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Wenngleich die radial in den Gasstrom ausmündenden Austrittsöffnungen
als radial verlaufende zylindrische Bohrungen gezeigt sind, können sie gleicherweise
auch konisch oder in Form von Schlitzen ausgebildet sein. Außerdem braucht die Einspritzung
nicht genau im rechten Winkel zur Stromungsrichtung des sauerstoffenthaltenden Gases
zu erfolgen, sondern kann bei einem Winkel von 60 bis 120° durchgefilhrt werden.
Es wird bevorzugt, daß wenigstens zwei radiale Austrittsöffnungen vorhanden sind
und daß der Durchtrittsquerschnitt
jeder Öffnung wenigstens gleich
dem Querschnitt einer Kreisbohrung mit dem Durchmesser von 1,5 mm ist.
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Die aus Fig. 10 ersichtliche Vorrichtung ist besonders zweckmäßig,
wenn die Brennstoff-Einblaslanze über eine betrchtliche Strecke hin durch den heißen
Wind führt, der gewöhnlich bei einer Temperatur zeischen 800 bis 14000C vorliegt.
Durch Verwendung der Vorrichtung aus Fig. 10 wird eine Rezirkulation des Aerosols
innerhalb der Lanze verhindert und es wird bevorzugt, daß der Abstand zwischen dem
Ende der Düse und dem Mundstück einstellbar ist. Es ist auch möglich, die Geschwindigkeit
des zerstäubenden Strömungsmittels an seiner Auftreffstelle auf den zu zerstäubenden
Brennstoff einstellbar zu machen.
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- Ansprüche -