DE3883232T2 - Plasma-düse. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Düse für einen Schmelzofen und im besonderen eine Plasmadüse für einen Kupolofen. Wie in US- A-4 002 466 und US-A-4 530 101 beschrieben, kann von einem elektrischen Lichtbogen Hitze in einen Kupolofen oder in einen anderen Schmelzofen eingeführt werden, um dessen Betrieb durch Zuführen eines sehr heißen Gasstroms zu verbessern, der entweder oxidierend oder reduzierend sein kann und auch mit durch eine Feststoffdüse zugeführten Feststoffen gemischt werden kann. Der Lichtbogen wird in einem Plasmabrenner erzeugt, in dem der Lichtbogen das am Ende des Brenners ausströmende Gas ionisiert und einen weißen Heißgasstrom erzeugt, der im allgemeinen in einem Temperaturbereich von 5500ºC arbeitet und einen Film wirbelnder Teilchen erzeugt, der sich langsam entlang der Brennerwände niederschlägt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche Temperaturen über Stunden und Tage zu halten und Feststoffe in eine Düse mit relativ kleinem Durchmesser einzuführen, ohne das feuerfeste Material zu zerstören, mit dem die Düse ausgekleidet ist. Feuerfestes Material beginnt gewöhnlich bei etwa 1600ºC zu erweichen, d.h. bei etwa einem Drittel der Temperatur des überhitzten Gasstroms aus dem Plasmabrenner, und wird durch die durchfließenden Feststoffe abgeschliffen.
• Im allgemeinen enthält eine Plasmabrenner-Düse für einen Schmelzofen, wenn sie erfindungsgemäß hergestellt wurde, einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines überhitzten Gases in einem Temperaturbereich von 5500ºC, eine Leitung für das Hüllgas, eine rohrförmige Mischkammer in Strömungsverbindung mit dem überhitzten Gas und der Leitung für das Hüllgas und hat ein zum Schmelzofen hin offenes Ende. Die Mischkammer ist mit feuerfestem Material ausgekleidet und im allgemeinen mit einem Kühlflüssigkeitsmantel umgeben. Das überhitzte Gas aus dem Plasmabrenner und das Hüllgas aus der Leitung werden so in die Mischkammer eingeführt, daß das Temperaturprofil der Gase im zentralen Bereich der Mischkammer wesentlich heißer ist als in dem an das feuerfeste Material angrenzenden Bereich, da das Gas axial durch die Mischkammer und in den Schmelzofen strömt und dadurch die in den zentralen Bereich der Mischkammer eingeführten Feststoffe sehr schnell schmelzen und so eine beschleunigte Veränderung der Chemie des geschmolzenen Metalls in einem Kupolofen oder anderem Schmelzofen bewirken und die mit feuerfestem Material ausgekleidete Mischkammer nicht abschleifen.
• Die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung wird deutlicher durch die folgende detaillierte Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnungen; in diesen sind
• Fig. 1 ein Teilschnitt eines Kupolofens mit einer darin angeordneten Plasmadüse;
• Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Kupolofens mit einer darin angeordneten Plasmadüse;
• Fig. 3 ein vergrößerter Schnitt durch die Düse;
• Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3;
• Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie V-V aus Fig. 3;
• Fig. 6 eine alternative Ausführungsform des in Fig. 3 dargestellten Kupolofens mit einer darin angeordneten Plasmadüse;
• Fig. 7 eine alternative Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Düsen;
• Fig. 8 ein Schnitt entlang der Linie VIII-VIII aus Fig. 7;
• Fig. 9 eine alternative Ausführungsform der in Fig. 7 dargestellten Düse; und
• Fig. 10 ein Schnitt entlang der Linie X-X aus Fig. 9.
• Nehmen wir jetzt Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1; dort ist ein Teil eines Schmelzofens, wie z.B. eines Kupolofens 1 mit einer in eine Seitenwand 5 eingesetzten Plasmadüse d.h. Blasrohr 3 dargestellt. Die Düse 3 enthält eine rohrförmige Mischkammer 7, die mit einer oder mehreren Schichten feuerfestem Material 9 ausgekleidet ist und mit einem Kühlmantel 11, durch welchen eine Kühlflüssigkeit wie z.B. Wasser fließt, umgeben ist. Ein Ende dieser Mischkammer 7 ist zum Schmelzofen 1 hin offen. Ein Plasmabrenner 13 ist am Ende der Mischkammer 7, das dem zum Schmelzofen hin offenen Ende gegenüber liegt, angeordnet. Ebenfalls an dem Ende, das dem zum Ofen hin offenen Ende gegenüber liegt, ist eine Plenumkammer 15 angeordnet.
• Führungsluft bzw. Prozeßgas wird vorzugsweise durch eine Hüllgas-Einströmdüse 17, die tangential zur Plenumkammer 15 angeordnet ist, in die Plenumkammer 15 eingespeist. Der Plasmabrenner 13, wie z.B. der von der Westinghouse Electric Corporation gefertigte Marc II, hat eine Plasmadüse 19, die sich durch die Plenumkammer 15 erstreckt, um einen flammenähnlichen Strahl überhitzten Gases in den zentralen Bereich der Mischkammer 7 einzuspeisen. Die Temperatur des in die Mischkammer eintretenden überhitzten Gases liegt im allgemeinen bei etwa 5500ºC.
• Wie in Fig. 1 dargestellt wird, ist eine feuerfeste Trennwand 21 mit einer Vielzahl schräger Öffnungen 23 zwischen den Mischkammern 7 und der Plenumkammer 15 angeordnet, um das Hüllgas so in die Mischkammern 7 einzuführen, daß das Hüllgas axial wirbelnd durch die Mischkammer 7 strömt und das überhitzte Gas aus dem Plasmabrenner 13 entlang der Achse der Mischkammer 7 ebenfalls wirbelnd eingeführt wird, so daß das Gastemperaturprofil durch die Mischkammer 7 im zentralen Bereich wesentlich heißer ist als an den feuerfesten Wänden 9.
• Eine Feststoff-Einspeisedüse 25 ist in Strömungsverbindung mit der Mischkammer 7 angeordnet, und ihre Achse steht im spitzen Winkel auf der Achse der Mischkammer 7, wobei der Winkel von der Dichte, Größe, Geschwindigkeit und Viskosität der Feststoffe und des Trägerfluids bestimmt wird, das so eingerichtet ist, daß die einströmenden Stoffe zum zentralen Bereich der Mischkammer 7 geführt werden, wo die Temperatur am höchsten ist, so daß sich die Temperatur der einströmenden Feststoffe schnell erhöht.
• Wie in Fig. 1 gezeigt wird, kann sich die Mischkammer 7 wenigstens teilweise durch die feuerfeste Auskleidung des Schmelzofens erstrecken, oder aber, wie in Fig. 2 gezeigt wird, kann die Mischkammer in Höhe der Außenwand des Schmelzofens abschließen, wobei eine Öffnung 31 in der Wand des Schmelzofens und der feuerfesten Auskleidung 5 vorgesehen ist, die mit dem offenen Ende der Mischkammer 7a übereinstimmt.
• Wie in den Fig. 3 und 6 gezeigt wird, kann die Mischkammer 7b auch mit Wänden versehen sein, die sich in Richtung auf das offene Ende zu kegelförmig verengen, und es gibt keine Trennwand zwischen der Plenumkammer 15b und der Mischkammer 7b, sondern zwischen der feuerfesten Wand 9b und der Düse 19 des Plasmabrenners 13 ist eine Ringöffnung 35 vorgesehen. Die tangential angeordnete Hüllgasdüse 17, wie in Fig. 5 am besten ersichtlich ist, erteilt dem in die Plenumkammer 15 einströmenden Hüllgas eine wirbelförmige Bewegung, die über die Mischkammer 7b ein Temperaturprofil erzeugt, das in deren Zentralteil erheblich heißer ist, als an den feuerfesten Wänden 9b. Die feuerfesten Wände 9b der Mischkammer 7b können aus zwei oder mehr feuerfesten Auskleidungen bestehen und ermöglichen so die Erneuerung der inneren Auskleidung, die dem Verschleiß ausgesetzt ist.
• Es kann eine Vielzahl von Materialeinspeisedüsen 25 vorgesehen sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei jede derselben so angeordnet ist, daß sie in einem vorgegebenen spitzen Winkel zur Achse der Mischkammer 7b steht, um das Material zum Zentralteil der Mischkammer zu führen, wo die Temperatur am höchsten ist.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Mischkammer 7a, Plenumkammer 15 und Trennwand 21, ähnlich wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, mit dem Unterschied, daß sich die Düsen 25a auf jeder Seite der Plasmadüse 19 durch die Trennwand 21 hindurch erstrecken und im allgemeinen parallel zur Achse der Mischkammer verlaufen.
• In den Fig. 9 und 10 durchdringen die Düsen 25b die Trennwand 21 im allgemeinen über der Plasmadüse 19 und erstrecken sich im allgemeinen parallel zur Achse der Mischkammer entlang derselben.
• Die hier vorstehend beschriebenen Plasmadüsen eigenen sich vorteilhaft zum Einspeisen eines überhitzten Gases extrem hoher Temperatur in einen geschlossenen Raum, in dem zugeführte Stoffe schnell erhitzt werden können und die feuerfesten Wände dennoch verhältnismäßig kühl bleiben und so eine angemessene Betriebsdauer garantieren.

Claims (8)

1. Eine Plasmadüse (3) zum Einsatz in einem Schmelzofen (1) mit

einem Plasma-Brenner (13) zur Erzeugung überhitzten Gases in einem Temperaturbereich von 5500ºC,

einer rohrförmigen Mischkammer (7) in Strömungsverbindung mit diesem überhitzten Gas, worin das Gas im zentralen Bereich der Mischkammer (7) die höchste Temperatur erreicht und wobei sich ein Ende der Mischkammer zu diesem Schmelzofen (1) hin öffnet,

einer Hüllgas-Leitung (17) und Mittel (15, 17, 21 und 23; 15b und 35) zum Einspeisen dieses Hüllgases aus dieser Leitung (17) in diese Mischkammer (7),

einer Feststoffdüse (25) in Strömungsverbindung mit der Mischkammer (7) und einem Kühlmantel (11) für ein strömendes Medium, der einen Teil der Mischkammer (7) umgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

diese rohrförmige Mischkammer (7) mit feuerfestem Material (9) ausgekleidet ist,

diese Feststoffdüse (25) mit dieser Mischkammer (7) im spitzen Winkel zur Achse der Mischkammer (7) verbunden ist, wobei sie so angeordnet ist, daß Feststoffe schräg in den zentralen Bereich der Mischkammer (7) und zu dem zum Schmelzofen (1) hin offenen Ende eingeführt werden.

2. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einspeisen des Hüllgases eine Plenumkammer (15) beinhalten, die an dem Ende, das dem zum Schmelzofen (1) hin offenen Ende der Mischkammer (7) gegenüber liegt, angeordnet ist, wobei die Plenumkammer (15) in Strömungsverbindung mit der Hüllgas-Leitung (17) und der Mischkammer (7) steht.

3. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Öffnung (35) zwischen Mischkammer (7) und Plenumkammer (15), und wobei der Plasmabrenner (13) so angeordnet ist, daß ein Teil (19) desselben, aus dem überhitztes Gas zugeführt wird, mit der Öffnung (35) fluchtet und mindestens teilweise innerhalb der Plenumkammer (15) liegt.

4. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (19) des Plasmabrenners (13), der das überhitzte Gas zuführt, angrenzend an die Öffnung (35) angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Raum zwischen dem Teil des Plasmabrenners (13), der das überhitzte Gas zuführt, und der Öffnung (35) gebildet wird, und die Hüllgas-Leitung (17) mit der Plenumkammer (15) tangential verbunden ist, wobei das Hüllgas in die Plenumkammer (15) wirbelt und durch die ringförmige Öffnung in die Mischkammer (7) weiterströmt.

5. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (19) des Plasmabrenners (13), aus dem das überhitzte Gas zugeführt wird, im allgemeinen die Öffnung (35) ausfüllt und eine Trennwand (21) mit einer Vielzahl von sich von der Öffnung radial nach außen erstreckenden Öffnungen (23) angeordnet ist, und die Öffnungen (23) so gerichtet sind, daß das Hüllgas beim Eintritt in die Mischkammer (7) zum Wirbeln gebracht wird.

6. Die Plasmadüse gemäß den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Mischkammer (7b) kegelförmig ausgebildet ist, so daß zum Schmelzofen (1) hin offene Ende kleiner ist als das an die Plenumkammer (15b) angrenzende Ende.

7. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffdüse (25) auch ein Trägergas mit den Feststoffen einführt.

8. Die Plasmadüse gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffdüse (25a) so angeordnet ist, daß sie sich durch diese Plenumkammer (15) erstreckt und einen Ausstoßbereich hat, der im allgemeinen parallel zur Achse der Düse (3) verläuft und sich in diese Mischkammer (7a) entlädt.