DE2834803A1 - Einrichtung zum rueckfuehren von abgas aus den nicht beflammten heizzuegen zu den beflammten heizzuegen von unterbrenner- koksofenbatterien - Google Patents

Description

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Einrichtung zum Rückführen von Abgas aus den nicht beflammten Heizzügen zu den beflammten Heizzügen von Unterbrenner-Koksofenbatterien .

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Rückführen von Abgas aus den nicht beflammten Heizzügen zu den beflammten Heizzügen von Unterbrenner-Koksofenbatterien, bei der zwischen den Gaswegen dieser Heizzüge jeweils eine Verbindung und ein Düsensystem vorgesehen sind, wobei das Düsensystem aus einer Ansaugkammer mit vorzugsweise seitlichem Abgas eintritt, einer im Bodenbereich der Ansaugkammer angeordneten aufwärts gerichteten Starkgasdüse und einer oberhalb der Starkgasdüse an die Ansaugkammer nach oben anschliessenden Venturidüse besteht.

Für den Betrieb von Unterbrenner-Koksofenbatterien hat es sich als günstig erwiesen, das Starkgas mit rückgeführtem Abgas zu verdünnen. Diese Verdünnung dient zwei Zwecken. Zum einen werden Kohlenstoffablagerungen vermieden, die sich durch das Kracken von Kohlenwasserstoffen bei hohen Temperaturen bilden, zum anderen wird durch den Abgaszusatz eine langgestreckte Flamme erzielt, wodurch sich eine gleichmassigere Temperatur über die Höhe der Heizzüge ergibt.

Das Abgas, das mit dem Starkgas vermischt werden soll, wird nicht beflammten Heizzügen entnommen, d. h. solchen, die von den Abgasen

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von oben nach unten durchströmt werden. Zu diesem Zweck sind im Bereich der Heizzugsohle oder darunter Verbindungen zwischen den Gas wegen der gerade beflammten und nicht beflammten Heizzüge vorgesehen· Dort sind ferner Düsensysteme vorgesehen, in denen durch das dem beflammten Heizzug zuströmende Starkgas das Abgas aus dem nicht beflammten Heizzug angesaugt wird .

Düsensysteme herkömmlicher Bauart setzen sich aus mehreren Elementen zusammen. So ist im Bereich des Bodens einer Ansaugkammer eine Düse vorgesehen, die eine geradlinige Bohrung aufweist und die im Betrieb einen konischen Strömlings verlauf des austretenden, unter Druck befindlichen Gases bewirkt. Dieses Gas wird als Treibgas bezeichnet. Der von dem Konus der Gasströmung eingeschlossene "Winkel ist mit etwa 20 * ermittelt worden, ändert sich jedoch leicht mit Veränderungen des Gasdruckes .

Die Ansaugkammer weist seitlich einen Einlass für das rückgeführte Abgas auf, das im folgenden als das angesaugte Gas bezeichnet wird. Direkt der Düse gegenüber liegend ist an der oberen Begrenzung der Ansaugkammer der Eintrittskonus der Venturidüse vorgesehen, wobei der grössere Durchmesser des Konus den Ausgang der Ansaugkammer bildet. Der von dem Konus eingeschlossene Winkel liegt im allgemeinen in der Gröasenordnung von 25 * . Das verengte Ende des Konus bildet

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den Übergang zum Venturidüsenhals, der zylindrisch ausgebildet ist mit geradlinigen glatten Wänden. Der Durchmesser des Venturidüsenhalses ist hierbei ein kritischer Faktor, da geringfügige Veränderungen der Abmessungen den Druckverlust des Düsensystems verändern und damit auch Änderungen der Menge des vorn Treibgas angesaugten Gases bewirken. Für den Betrieb von Unterbrenner-Koksofenbatterien mit hohen Öfen hat sich ein Durchmesser von 57 mm als günstig erwiesen. Aber auch die Länge des Venturidüsenhalses ist von Bedeutung. In der Praxis wird sie vergleichsweise kurz auegebildet mit einer Länge von etwa 6 mm, womit sich ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge von etwa 9 : 1 ergibt.

Am oberen Ende des Venturidüsenhalses ist der Austrittskonus angebracht. Hierbei bildet das Ende geringeren Durchmessers die Verbindung des Konus mit dem Venturidüsenhals.

Bei bisherigen Ausführungen des Düsensystems wurde die Düse nahe bei oder auch innerhalb des grösseren Durchmessers des Eintrittskonus angeordnet. Spätere Versuche ergaben, dass bei steigendem. Druck des Treibgases die Düse vom Eintritts konus zurückgezogen werden kann. Man fand, dass der entscheidende Faktor der Abstand zwischen der Düsenmündung und dem Eintritt in den Venturidüsenhals ist und dass dies in direkter Abhängigkeit vom Treibgasdruck steht, d.h. je geringer der

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Druck ist, desto näher muss die Düsenmündung zum Eintritt in den Venturidüsenhals gelegen sein.

Das Prinzip, auf dem die Wirkungsweise des Düsensystems beruht, ist die Verbindung von erhöhter Gasgeschwindigkeit mit plötzlichem Druckabfall. Das Treibgas wird unter Druck aus der Düse ausgestossen. Durch den hierbei eintretenden Druckabfall entspannt es sich und nimmt dabei umgebende Gase, d.h. im vorliegenden Falle rückgeführte Abgase auf. Dadurch wird eine Zone geringeren Druckes in der Ansaugkammer geschaffen, wodurch wiederum weiteres Abgas aus dem nicht beflammten Heizzug angesaugt wird. Die Geschwindigkeit des Treibgases trägt das Abgas mit in den Venturidüsenhals, wo das Gemisch sich zusammenzieht und dabei die Geschwindigkeit verringert and der Druck erhöht wird. Beim Verlassen des Venturidüsenhals es wird die Geschwindigkeit des Gasgemisches bei gleichzeitigem Druckabfall wieder erhöht.

Die herkömmlichen Düsensysteme sind jedoch mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Ein Problem besteht darin, dass entsprechend dem Volumen rückgeführten Abgases, das vermischt mit dem Starkgas zur Erzielung guter Verbrennungscharakteristiken erforderlich ist, die Einlassöffnung zur Ansaagkammer vergleichsweise gross bemessen sein muss. Um dies zu ermöglichen, muss auch die Ansaugkammer selbst ,gross sein. Der Druck des Starkgases muss dagegen aus Sicherheits-

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gründen relativ niedrig gehalten werden. Aus diesen Gegebenheiten muss die Düse für das Starkgas innerhalb der Ansaugkammer in geeigneter Entfernung von der Eintritts öffnung des Venturidüsenhalses angeordnet sein. Damit liegt sie direkt im Strömungsweg der heissen Abgase. Dieser Wärmeeinfluss aber greift die Düse an und bewirkt Korrosions- und Erosionserscheinungen, so dass ein häufiger Wechsel der Düse erforderlich ist .

Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, dass durch die kurze Länge des Venturidüsenhalses und anderer Dimensionsverhältnisse, wie sie in der Vergangenheit benutzt wurden, die Strömungsmenge des Abgases unstabil ist und sehr empfindsam auf die jeweils herrschenden Betriebsverhältnis se reagiert. Im Ergebnis wird daher das optimale Starkgas Abgas-Gemisch nicht immer erreicht werden können .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Düsensystem so auszubilden, dass die vorerwähnten Schwierigkeiten vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird hierzu vorgeschlagen, dass die Mündung der Starkgasdüse in einer Vertiefung des Bodens der Ansaugkammer liegt und dass die Venturidüse keinen Eingangskonus aufweist .

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Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet .

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine Versuchsanordnung, die zur Ermittlung erfindungswesentlicher Faktoren benutzt wurde,

Fig. 2-4 verschiedene Ausbildungen der Venturidüse und

Fig. 5 eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Düsensystems .

In Fig. 1 ist eine Versuchsanordnung dargestellt, die zur Untersuchung einiger Faktoren diente, die für den Betrieb von Koksöfen kritisch ist. Die Versuchsanordnung war aus durchsichtigem Plastikmaterial hergestellt und wurde kalt betrieben. Als Ersatz sowohl für Starkgas als auch für Abgas wurde Luft benutzt. Die Oberfläche des Plastikmaterials war der von Feuerfestmaterial angenähert ausgebildet.

Bestandteil der Versuchsanordnung war eine Messblende, die zur Ermittlung der zugeführten Luftmenge diente und die überdies einen Druckabfall im System herbeiführte und damit den Gesamt-Druckabfall in bestehenden Koksofenbatterien nachahmte. Der Differenzdruck wurde von einem Mikromanometer erfasst, das einen Messbereich von 0 - 50,8 mm Wassersäule bei einer Genauigkeit von 0, 0127 mm Wassersäule aufwies.

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- α Die Düse war in der Steigeleitung verschiebbar gelagert, so dass der Abstand zwischen der Düsenmündung und dem Venturidüsenhals variabel war. In der Steigeleitung war ferner ein Druckanzeiger vorgesehen, und zwar ausserhalb der Turbulenzzone der Ansaugkammer, so dass der statische Druck hierin zuverlässig gemessen werden konnte. Die der Düse zugeführte Luft wurde von einem Kompressor üblicher Bauart geliefert und passierte, wie aus Fig. 1 ersichtlich, ein Filter, einen Druckregler und einen Durchflussmesser, in dem das Luftvolumen pro Zeiteinheit gemessen wurde. Beiderseits des Durchflussmessers waren Druckanzeiger installiert. Der Innendurchmesser der Düse betrug 11, 9 mm und entsprach damit dem von Düsen, die beim Betrieb von Koksofenbatterien Anwendung finden. Um den tatsächlichen Betriebsbedingungen zu entsprechen, wurde die Länge der Innenbohrung der Düse wie üblich mit 25, 4 mm bemessen. Die Menge der als Treibgas durch die Düse geleiteten Luft wurde mit 0,267 m /min. gewählt und entsprach damit im wesentlichen der Menge Starkgas beim Betrieb von Koksofenbatterien .

Zweck des Versuches war es, das Verhältnis der Menge angesaugter Luft zur Menge der als Treibgas benutzten Luft zu ermitteln, und zwar bei verschiedenen Anordnungen und Ausbildungen des Düsensystems. Es wurden hierbei fünf verschiedene Ausbildungen der Venturidüse getestet, wobei in allen Fällen die Lage der Düsenmündung zwischen

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101, 6 mm unterhalb ihrer normalen Position (Bodenhöhe der Ansaugkaxnmer) und 101,6 mm oberhalb der normalen Position verändert wurde. Die Tabellen I₁ II und ΠΙ zeigen vergleichbare Versuchsergebnisse mit der üblichen Ausbildung des Düsensystems und zwei bevorzugte Ausführungen der Venturi-Düsenausbildung und der Lagen der Düsenmündungen .

Fig. 2 zeigt schematisch die übliche Ausbildung der Venturidüse, so wie sie bisher in Koksofenbatterien benutzt wurde. Die Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen von zwei bevorzugten Ausbildungen, die im folgenden als Ausbildung 1 und Ausbildung 2 bezeichnet werden. In der folgenden Tabelle I sind die Versuchsergebnisse mit der herkömmlichen Venturidüsenausbildung zusammengestellt.

Tabelle I

Lage der Düsenmündung _

. *, ι \ ,,·,,/ \ , , angesaugte Gasmenge

unterhalb (-) oder oberhalb (+) Verhältnis ^{s a}—

, ' _ ... Treibgasmenge

der normalen Position

- 76, 2 mm 1,05

- 63, 5 mm 0,97

- 50, 8 mm O₁ 98

- 38, 1 mm I₁ 00

- 25,4 mm 1,05

- 12,7 mm 1, 59

- 0, 0 mm 1. 64 + 12, 7 mm 1, 67 + 25,4 mm 1, 67 + 38, 1 mm 1,64 + 50,8 mm 1, 60 + 63,5 mm 1,59

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Das Konzept der Ausbildung 1 (Fig. 3) war der völlige Verzicht auf den sich verengenden Eingangskonus der Venturidüse. Bei dieser Ausbildung wurde die Länge des Venturidüsenhalses mit 117 mm gewählt und deren Übergang zur Ansaugkammer in Form einer Abrundung mit einem Radius von 3, 2 mm . Die Versuchsergebnisse mit dieser Ausbildung 1 ist in Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle II

Lage der Düsenmündung unterhalb (-) oder oberhalb (+) der normalen Position

- 101,6 mm

- 88, 9 mm

- 76, 2 mm

- 63, 5 mm

- 50, 8 mm

- 38, 1 mm

- 25, 4 mm

- 12,7 mm

- 0,0 mm + 12,7 mm + 25, 4 mm + 38, 1 mm + 50, 8 mm + 63, 5 mm

Verhältnis

angesaugte Gasmenge Treibgasmenge

1,16 1,26 1, 58 1,66 1,70 1,73 1,73 1,71

1,71 1,68 1,65 1,63 1,59 1,54

Ausbildung 2 (Fig. 4) unterscheidet sich von Ausbildung 1 (Fig. 3) dadurch, dass der Radius beim übergang von der Ansaugkammer zum Venturidüsenhals auf 17, 5 mm vergrössert und die Länge des Venturidüeenhalses auf 98. mm reduziert wurde. Tabelle III zeigt die Ergeb-

nisse der Versuche mit der Ausbildung 2

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Tabelle III

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Lage der Düsenmündung unterhalb (-) oder oberhalb (+) der normalen Position

- 88, 9 mm

- 76, 2 mm

- 63, 5 mm

- 50, 8 mm

- 38, 1 mm

- 25, 4 mm

- 12,7 mm ± 0,0 mm + 12,7 mm + 25, 4 mm + 38, 1 mm + 50, 8 mm + 63, 5 mm

Verhältnis

angesaugte Gasmenge T reib gas menge

1,31 1,59 1.57 1,68 1,70 1,73 1,72 1,73 1,73 1,71 1,69 1,65 1,72

Es sei darauf hingewiesen, dass die Mengenverhältnisse in der Tabelle I zwischen den Düsenpositionen -38, 1 mm und +25, 4 mm Durchschnittswerte sind. In diesem Bereich war der Fluss der angesaugten Luft ausser· ordentlich unstabil, so dass mehrfach Versuche mit unterschiedlichen Ergebnisse durchgeführt werden mussten. Keine Schwankungen dagegen gab es bei den Werten für Ausbildung 1 und 2 .

Als Ergebnis der Versuche kann festgehalten werden, dass bei Verwendung einer Venturidüsenanordnung nach Ausbildung 1 oder 2 die Düse in die Steigeleitung zurückverlegt werden kann und damit aus dem Strömungsbereich der angesaugten Luft, d.h. der heissen Abgase bei Koksofenbatterien herauskommt. Gleichzeitig können Schwankungen im Gasgemisch aus Treib-

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gas und angesaugtem Gas vermieden werden .

In Fig. 5 ist mit 11 das Düsensystem zur Abgasrückführung als Ganzes bezeichnet. Es weist eine Düse IZ von bei Unterbrenner-Koksofenbatterien üblicher Form und Abmessung auf. Diese Düse ist mittig in der Steigeleitung 13 eingebaut, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die Vorderkante 14 der Düse 38 mm von der Mündung 15 der Steigeleitung zurückliegt. Die Steigeleitung 13 ist zylindrisch ausgebildet und besitzt einen ausreichenden Durchmesser, um die Düse leicht ein- und ausbauen zu können. Im vorliegenden Fall beträgt dieser Durchmesser 64 mm .

Die Steigeleitung 13 mündet in eine zentral darüberliegende vertikale und zylindrisch ausgebildete Ansaugkammer 16, die eine seitliche Einlassöffnung 17 aufweist. Höhe und Durchmesser der Ansaugkammer werden bestimmt durch den Durchmesser der Einlassöffnung 17, der wiederum γόη dem Gas volumen abhängig ist, das bei vorgegebenem Druck dix ch das Düsensystem 11 strömen soll. Normalerweise beträgt dieser Durchmesser etwa 89 mm.

Der Düse 12 und der Steigeleitung 13 direkt gegenüberliegend ist in der oberen Begrenzung der Ansaugkammer 16 eine Öffnung 18 vorgesehen, die sich, wie aus der Zeichnung ersichtlich, zur Ansaugkammer hin radial erweitert. Der Radius beträgt hierbei 17, 5 mm, der untere Durch-

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messer dieser sich erweiternden Öffnung 86 mm und der obere Durchmesser 57 mm. Die Höhe dieser öffnungszone macht somit ebenfalls

17, 5 mm aus .

An die öffnungszone 18 schliesst sich nach oben der Düsenhals 19 an, der zylindrisch ausgebildet ist mit einem inneren Durchmesser von 57 mm . Die Länge des Düsenhalses beträgt 98 mm . Es ist somit ein glatter Übergang von der öffnungszone 18 zum Düsenhals 19 gegeben.

Anschliessend an den Düsenhals ist nach oben hin eine Erweiterungs zone 20 vorzusehen, die konisch ausgebildet ist, wobei der kleinere Durchmesser des Konus mit dem Innendurchmesser des Düsenhalses übereinstimmt. Die Länge der Erweiterungs zone beträgt 178 mm, der Erweiterungswinkel 17 * . Der obere innere Durchmesser der Erweiterungs zone 20 bildet den Eintritt in die Brenngas-Steigeleitung 21 .

Steigeleitung 13, Aneaugkammer 16 mit Einlassöffnung 17, die Zonen

18, 19 und 20 der Venturidüse und Brenngas-Steigeleitung 21 sind aus feuerfestem Steinmaterial gebildet.

Daa als Treibgas wirkende Starkgas tritt in das Düsensyetem 11 durch die Düse 12 unter Druck ein. Dieser Druck liegt in der Grössenordnung von etwa 125 mm Wassersäule. Die Düse 12 treibt das Starkgas senk-

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recht in die Ansaugkammer 16, wo es sich von seinem ursprünglichen Druck auf einen Druck entspannt, der geringer ist als der des in der Ansaugkammer bereits befindlichen heissen Abgases. Bei der Entspannung des Starkgases erhöht sich dessen Geschwindigkeit von der Eintritts geschwindigkeit auf einen vergleichsweise hohen Wert, wobei die Strömung weiterhin aufwärts gerichtet ist, sich jedoch ausbreitet, so dass eine konische Strömungszone mit einem eingeschlossenen Winkel von etwa 20 ° entsteht. Das Ergebnis ist eine Zone niedrigen Drukkes und hoher Geschwindigkeit in der Ansaugkammer, wodurch das zugeführte Abgas höheren Druckes in den Starkgasstrom eindringt und sich damit vermischt und mit ihm weiterbewegt. Dabei wird weiteres Abgas durch die Einlassöffnung 17 in die Ansaugkammer 16 angesaugt. Während des Vermischens von Starkgas und mitgerissenem Abgas wird die Strömungsgeschwindigkeit des ersteren verringert, die des letzteren erhöht. Wenn die Gasmischung in den Düsenhals 19 eintritt, wird sie durch die dortige Verringerung des Strömungsquerschnittes komprimiert, wodurch sich ihre Geschwindigkeit ermässigt. Die oben beschriebene Ausbildung der Öffnungszone 18 verhindert hierbei den ansonsten abrupten übergang von der Ansaugkammer 16 zum Düsenhals 19. Die nunmehr erhöhten Druck und geringere Geschwindigkeit aufweisende Gasmischung wird anschliessend aus dem Düsenhals unter stabilen Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen in die Erweiterungszone 20 geblasen . Dort

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wird der Druck der Gasmischung wieder leicht reduziert bei gleichzeitigem leichtem Geschwindigkeitsanstieg, und in diesem Zustand strömt die Gasmischung aufwärts durch die Brenngas-Steigeleitung Zl zu dem hier nicht dargestellten darüber befindlichen Heizzug .

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Claims (7)

Essen, den 7. August 1978 N 47 65/5 a Vo/Wi. KOPPERSCOMPANY, INC., Pittsburgh, Pa. 15219, USA Patentansprüche :

1. Einrichtung zum Rückführen von Abgas aus den nicht beflammten Heizzügen zu den beflammten Heizzügen von Unterbrenner-Koksoienbatterien, bei der zwischen den Gaswegen dieser Heizzüge jeweils eine Verbindung und ein Düsensystem vorgesehen sind, wobei das Düsensystem aus einer Ansaugkammer mit vorzugsweise seitlichem Abgas eintritt, einer im Bodenbereich der Ansaugkammer angeordneten, aufwärts gerichteten Starkgasdüse und einer oberhalb der Starkgasdüse an die Ansaugkaramer nach oben ans chlie säenden Venturidüse besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (14) der Starkgasdüse (12) in einer Vertiefung des Bodens der Ansaugkammer (16) liegt und die Venturidüse keinen Eingangskonus aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die obere Begrenzung der Ansaugkammer (16) der Venturidüsenhals (19) mit einer kurvenförmigen Übergangszone (18) anschliesst.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangszone (18) von einem Radius von weniger als etwa 25 mm gebildet wird .

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (14) der Starkgasdüse (12) zwischen etwa 25 und 50 mm unterhalb des Bodens der Ansaugkammer (16) liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Venturidüsenhals es (19) zwischen etwa 50 und 75 mm beträgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Venturidüsenhals es (19) zwischen etwa 65 und 130 mm beträgt.

7. Einrichtung nach Anspruch "1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Mündung (14) der Starkgasdüse (12) und dem Eintritt in den Venturidüsenhals (19) zwischen etwa 65 und 130 mm beträgt.

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