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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Sauerstoff-Brennstoffbrennersysteme zur gleichzeitigen
Verbrennung gasförmiger
oder flüssiger
Brennstoffe in Anwesenheit von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft sowie insbesondere ein Sauerstoff-Brennstoffbrenner- und Notfeuerungssystem
und ein Betriebsverfahren zum kontinuierlichen Betreiben des Sauerstoff-Brennstoffbrenners
im Falle einer Unterbrechung der Oxidationsmittelversorgung.
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STAND DER
TECHNIK
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Kürzlich sind
Brenner entwickelt worden, in denen Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte
Luft verwendet wird, um die Verbrennung eines Brennstoffs in einem
als Sauerstoff-Brennstoffbrenner bekannten Brenner zu unterstützen. Sauerstoff-Brennstoffbrenner
sind kompakt und erzeugen typischerweise kleine Flammen mit einer
hohen Energieausgangsleistung. Bei herkömmlichen Erwärmungs-
und Schmelzvorgängen
können
mehrere unterschiedliche Brennstoffarten, wie beispielsweise Erdgas,
Propan, Kohlengas, Öl
und dergleichen, verwendet werden, um die hohen Temperaturen zu
erhalten, die erforderlich sind, um die Ofencharge aus einem festen
in einen vorerwärmten
oder geschmolzenen Zustand zu ändern.
In einem Sauerstoff-Brennstoffbrenner
wird im wesentlichen reiner Sauerstoff, der allgemein 80% Sauerstoff
oder mehr enthält,
mit dem Brenngas gemischt, um extrem hohe Flammentemperaturen zu
erzeugen. Die hohen Flammentemperaturen können die Ofencharge rasch erwärmen oder
schmelzen. Rasches Schmelzen ist bei der Herstellung von Eisen und
Stahl besonders vorteilhaft. Zusätzlich
werden Sauerstoff-Brennstoffbrenner in verschiedenen Metallhütten weitgehend
eingesetzt, um die Schmelzzeit und die Gesamtenergie zu reduzieren, die
erforderlich sind, um die Hüttencharge
in einen geschmolzenen Zustand zu bringen.
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Der
Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners setzt voraus, daß eine Sauerstoffversorgung
sichergestellt ist, um den Brenner zu betreiben. Typischerweise
werden am Einsatzort eine Sauerstofferzeugungsanlage, wie beispielsweise
Vakuum- oder Druckwechselabsorptionseinrichtungen, oder Tiefsttemperatur-Lufttrennungseinrichtungen
in der Nähe
des Sauerstoff-Brennstoffbrenners bereitgehalten. Während des Brennerbetriebs
ist eine kontinuierliche, ununterbrochene Sauerstoffversorgung erforderlich,
um Produktionsverluste und mögliche
Schäden
am Brennersystem, die durch eine Unterbrechung der Sauerstoffversorgung verursacht
werden könnten,
zu vermeiden. In gewissen Sauerstoff-Brennstoffbrennern ohne Wasserkühlung können metallische
Teile durch Ofenstrahlung beschädigt
werden, es sei denn, der Brenner wird außer Betrieb genommen oder mit
Hilfskühlluft
oder Wasser gekühlt,
die bzw. das zu den Brennerdüsen
umgewälzt
wird.
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Um
die Möglichkeit
von Produktionsverlusten und Brennerschäden zu begrenzen, wird in Metallhütten typischerweise
ein Flüssigsauerstoffversorgungstank,
der als eine Sauerstoffnotversorgung dient, bereitgestellt. Die
Flüssigsauerstoffversorgung
erfordert ein kontinuierliches Auffüllen, um Verdampfungsverluste
auszugleichen. Wegen der relativ hohen Kosten, die mit der Aufrechterhaltung
einer Flüssigsauerstoffnotversorgung
verbunden sind, wird in vielen Metallhütten keine ausreichende Sauerstoffnotversorgung
bereitgehalten, mit der der Gesamtbedarf während einer Unterbrechung der
primären
Sauerstoffversorgung gedeckt werden könnte. Zusätzlich kann es sein, daß Sauerstoffnotversorgungstanks
wegen eingeschränkter
Platzverhältnisse nicht
ausreichend Sauerstoff lagern können,
um den Brenner für
den erforderlichen Betrieb betreiben zu können.
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Eine
Alternative zu der am Einsatzort vorgesehenen Sauerstofflagerung
besteht darin, ein Luftnotversorgungssystem bereitzustellen. Im
Falle einer Unterbrechung der Sauerstoffversorgung kann der Sauerstoff-Brennstoffbrenner
als ein Luft-Brennstoffbrenner
betrieben werden. Obwohl der Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners
mit einem Luftnotversorgungssystem den Brennerbetrieb aufrechterhält, muß die Luft frei
von Schmierfett, Ölen
und anderen Verunreinigungen sein, um eine Beschädigung des Sauerstoff-Brennstoffbrenners
zu vermeiden. Aufgrund der Tatsache, daß eine extrem saubere Luftnotversorgung
erforderlich ist, bleibt das Luftnotversorgungssystem auf die Verwendung
spezieller Luftleitungen und Zufuhrausrüstungen beschränkt. Da
spezielle Ausrüstungen,
wie beispielsweise Kompressoren, Gebläse, Rohrleitungsquerschnitte,
Strömungssteuerungseinrichtungen
und dergleichen, verwendet werden müssen, erhöhen sich dadurch die Gesamtinvestitionskosten
für das
Ofenverbrennungssystem. Des weiteren setzen die speziellen Luftversorgungsausrüstungen
voraus, daß relativ
viel Platz für
die Installation von Ausrüstungen,
die nur hin und wieder verwendet werden, zur Verfügung steht.
Darüber
hinaus muß ein
Sauerstoff-Brennstoffbrenner,
nachdem er über
ein Luftnotsystem betrieben wurde, aus dem Ofen entfernt und gründlich gereinigt
werden, um sicherzustellen, daß der
Brenner durch den Luftbetrieb nicht verunreinigt wurde.
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Obwohl
Sauerstoff-Brennstoffbrenner ein herkömmliches Mittel anbieten, um
hohe Flammentemperaturen für
den Betrieb von Hüttenöfen zu erhalten,
erfordert ein wirtschaftlicher Betrieb des Ofens ein zuverlässiges und
wirtschaftliches Betriebsverfahren für den Fall eines Verlusts der
primären
Sauerstoffversorgung. Die wirtschaftlichen und sicherheitsrelevanten
Aspekte des Betriebs eines Hüttenofens
erfordern ein sicheres, schnelles, funktionelles und kostenwirksames
Notfeuerungssystem. Demzufolge besteht ein Bedarf an einem verbesserten
Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem und einem verbesserten
Betriebsverfahren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Brennstoffbrenner
mit einem Notfeuerungssystem und ein Betriebsverfahren. Das Notfeuerungssystem
kann verwendet werden, um im Falle einer Unterbrechung der primären Sauerstoffversorgung
für eine
Luftversorgung für
den Brennerbetrieb oder für
eine Kühlung
von Brennerbauteilen zu sorgen. Der Brenner beinhaltet eine mit
einer Brennstoffeinspritzdüse
gekoppelte Brennstoffleitung sowie eine Oxidationsmittelleitung
mit einer Oxidationsmitteleinspritzdüse, die entweder angrenzend
an die Brennstoffleitung oder am Umfang dieser Leitung vorgesehen
ist. Ein Hilfsluftejektor ist mit der Oxidationsmittelleitung gekoppelt.
Der Hilfsluftejektor ist so konfiguriert, daß er ein antreibendes Fluid
aufnimmt und Luft mitreißt
und die mitgerissene Luft in die Oxidationsmittelleitung drückt.
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Im
Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem kann eine Vielzahl
von antreibenden Fluiden verwendet werden, wie beispielsweise Sauerstoff,
Stickstoff, Dampf, Druckluft und dergleichen. Zusätzlich kann
der Hilfsluftejektor durch ein schnell lösbares Anschlußstück mit der
Oxidationsmittelleitung gekoppelt sein. Demzufolge kann der Hilfsluftejektor
im Falle eines Verlusts der primären
Sauerstoffversorgung schnell mit dem Sauerstoff-Brennstoffbrenner
verbunden werden.
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Im
Falle einer Unterbrechung der primären Sauerstoffversorgung kann
der Hilfsluftejektor in Betrieb genommen werden, um Umgebungsluft
mitzureißen
und die mitgerissene Umgebungsluft in die Oxidationsmittelleitung
zu drücken.
Der Hilfsluftejektor ist so ausgelegt, daß er antreibendes Fluid mit
einem Druck von etwa 4,45·105 Pa (50 psig) bis etwa 11,3·105 Pa (150 psig) aufnimmt und etwa 0,14 m3/h (5 scfh = Standardkubikfuß/Stunde)
bis etwa 0,6 m3/h (20 scfh) Luft für jede 0,028
m3/h (scfh) eines antreibenden Fluids bereitstellt. Im
Betrieb kann der Hilfsluftejektor eine Luftströmungsmenge von etwa 8,5 m3/h (300 scfh) bis etwa 14,2 m3/h (500
scfh) bereitstellen. Die Luftströmungsmenge
wird mit einer Volumenströmungsmenge
des antreibenden Fluids erhalten, die etwa 10 bis etwa 40% der primären Sauerstoffströmungsmenge
entspricht, die vom Sauerstoff-Brennstoffbrenner während des
Normalbetriebs verwendet wird.
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In
der US-4,443,183 ist eine Verbrennungsvorrichtung beschrieben, in
der Brennstoff unter Nutzung von sauerstoffangereicherter Luft verbrannt
wird, die durch eine sauerstoffdurchlässige selektive Membran zugeführt wird.
Die Luftmenge für
die Verbrennung und die Sauerstoffkonzentration können beliebig
variiert werden, indem entweder Atmosphärenluft in die Vorrichtung
eingelassen oder ein Teil der Verbrennungsluft in die Atmosphäre abgelassen
wird.
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In
der US-5,195,361 ist ein Brenner beschrieben, in dem Luft angesaugt
und mit Brennstoff und reinem Sauerstoff gemischt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG MEHRERER
ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens für den Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
in Übereinstimmung
mit der Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Leitungskonfiguration;
und
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
in Übereinstimmung
mit einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der
Sauerstoff-Brennstoffbrenner mit einem Notfeuerungssystem und das
Betriebsverfahren der vorliegenden Erfindung stellen ein wirtschaftliches
und wirksames Mittel bereit, um einem möglicherweise katastrophalen
Verlust der primären
Sauerstoffversorgung eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners rasch entgegenwirken
zu können.
Da das Notfeuerungssystem und das Verfahren der Erfindung Umgebungsluft
mitreißt
und die Luft in den Sauerstoff-Brennstoffbrenner
drückt,
sind keine umfangreichen Ausrüstungen
und Einrichtungen für
den Brennernotbetrieb und die Notkühlung erforderlich. Wie nachstehend
beschrieben, kann das Ejektorsystem der Erfindung mit einer Reihe
antreibender Fluide betrieben werden, die in einer Metallhütte leicht verfügbar sind.
Zusätzlich
arbeitet der Luftejektor mit einem antreibenden Fluid, das mit einem
Druck und in einer Strömungsmenge
zugeführt
wird, die in Metallhütten
vor Ort üblicherweise
verfügbar
sind. Demzufolge kann das Notfeuerungssystem, wenn ein Ausfall der
primären
Sauerstoffversorgung ermittelt wird, schnell zugeschaltet und wirtschaftlich
betrieben werden, um entweder den Ofenbetrieb fortzusetzen oder
alternativ den Brennerbauteilen Kühlluft zuzuführen.
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Ein
Verfahren für
den Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
ist allgemein im Fließschema
der 1 dargestellt. Ein Standardbrennerbetrieb eines
Hüttenofens
ist bei Schritt 10 angegeben. Wenn ein Ausfall der primären Sauerstoffversorgung
bei Schritt 12 ermittelt wird, wird das Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem
bei Schritt 14 aktiviert. In Übereinstimmung mit der Erfindung
kann der Brenner entweder bei Schritt 16 abgeschaltet werden,
oder die Bedienungskraft kann alternativ den Brennerbetrieb mit
dem Notsystem bei Schritt 18 fortsetzen. Wenn der Brenner
bei Schritt 16 abgeschaltet wird, wird Kühlfluid
bei Schritt 20 durch das Notsystem zugeführt. Wenn
die primäre
Sauerstoffversorgung bei Schritt 22 wiederhergestellt ist,
wird das Notsystem bei Schritt 24 abgeschaltet und der
Brenner bei Schritt 26 in den Standardbetrieb zurückgeführt.
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Für den Fachmann
auf diesem Gebiet versteht es sich, daß ein variierender Automatisierungsgrad vorgesehen
werden kann, um das Notsystem zu aktivieren und zu deaktivieren
sowie den Brenner in den Standardbetrieb zurückzuführen. Beispielsweise können Strömungssensoren,
Temperaturdetektoren und Magnetventile in ein Steuerungssystem zur
automatischen Aktivierung und Deaktivierung des Notsystems eingegliedert
werden. Alternativ kann das Notsystem manuell durch einen Luftejektor
aktiviert werden, der in ein Behältnis
eingebaut ist, das so ausgeführt
ist, daß darin
der Luftejektor mit Hilfe eines schnell lösbaren Standardanschlußstücks installiert
werden kann. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn in
der Metallhütte
ein Flüssigsauerstoff
oder -stickstoffnottank vorhanden ist. Der Brenner kann dann manuell
aktiviert werden, um den Verbrennungsvorgang fortzusetzen, oder
er kann alternativ durch die Luftströmung und die antreibenden Fluide
aus dem Notsystem gekühlt
werden.
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Eine
Querschnittsansicht eines Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 dargestellt. Ein antreibendes
Fluid, wie beispielsweise flüssiger
Sauerstoff, Stickstoff, Dampf, Luft und dergleichen, wird durch
eine Fluiddüse 30 an
einem Einlaß 32 bereitgestellt.
Der Hilfsluftejektor 28 beinhaltet einen mit einem Einschnürungsbereich 36 gekoppelten Trichterabschnitt 34.
Der Einschnürungsbereich 36 ist
durch eine Kupplung 40 mit einer Oxidationsmittelleitung 38 gekoppelt.
Die Kupplung 40 kann eine beliebig ausgeführte Kupplung
aus einer Vielzahl von Standardrohrkupplungen sein, und die Kupplung 40 kann
insbesondere ein schnell lösbares
Anschlußstück sein.
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In
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Oxidationsmittelleitung 38 in
der Nähe
einer Brennstoffleitung 52 positioniert. Sowohl die Oxidationsmittelleitung 38 als
auch die Brennstoffleitung 42 sind in einem Brennerblock 44 vorgesehen.
Im Normalbetrieb strömt
primärer
Sauerstoff durch die Oxidationsmittelleitung 38 von einem
Einlaßbereich 46 aus
und wird an einer Oxidationsmitteldüse 48 in den Brennerblock 44 eingespritzt.
Entsprechend tritt Brennstoff in einen Einlaßbereich 50 der Brennstoffleitung 42 ein
und wird an der Brennstoffdüse 52 in
den Brennerblock 44 eingespritzt.
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Im
Betrieb reißt
der Hilfsluftejektor 28 Umgebungsluft durch eine ringförmige Öffnung 56 mit
und leitet die Umgebungsluft zum Einschnürungsbereich 36. Ein
Hochgeschwindigkeitsstrahl aus antreibendem Brennstoff, der aus
der Fluiddüse 30 austritt,
bewirkt einen Negativdruckbereich 60 im Einschnürungsbereich 36.
Der Negativdruck zieht Umgebungsluft 54 durch die ringförmige Öffnung 56 und
führt sie
mit einem aus antreibendem Fluid bestehenden Strahl 58 zusammen,
um ein Gasgemisch 62 zu bilden. Das Gasgemisch 62 wird
in die Oxidationsmittelleitung 38 gedrückt und an der Oxidationsmitteldüse 48 in
den Brennerblock 44 eingespritzt.
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Der
Vorgang des Mitreißens
von Umgebungsluft wird dadurch in Gang gesetzt, daß sich langsam
bewegende Moleküle
der Umgebungsluft mit sich schnell bewegenden Molekülen des
antreibenden Fluids kollidieren. Das Zusammenprallen sich langsam
bewegender Luftmoleküle
mit den sich schnell bewegenden Fluidmolekülen bewirkt eine Massenbewegung
des Gesamtgemisches. Der Nettoeffekt ist eine Druckreduzierung im
Negativdruckbereich 60 (Venturieffekt), was ein kontinuierliches
Mitreißen
von Umgebungsluft zur Folge hat. Der Hilfsluftejektor 28 "pumpt" Umgebungsluft aufgrund
der Druckdifferenz zwischen der ringförmigen Öffnung 56 und dem
Einschnürungsbereich 36 wirksam
in die Oxidationsmittelleitung 38 hinein.
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Um
den Vorgang des Mitreißens
von Umgebungsluft zu bewirken, wird antreibendes Fluid vorzugsweise
mit einer hohen Geschwindigkeit in den Einschnürungsbereich 36 eingespritzt.
Vorzugsweise wird das antreibende Fluid, wie beispielsweise Sauerstoff,
Stickstoff, Druckluft und dergleichen, am Einlaß 32 der Fluiddüse 30 mit
einem Druck von etwa 4,45·105 Pa (50 psig) bis etwa 11,3·105 Pa (150 psig) zugeführt. Alternativ kann der Vorgang
des Mitreißens
von Umgebungsluft dadurch durchgeführt werden, daß reiner,
trockener Dampf mit einem Druck von etwa 7,2·105 Pa
(90 psig) bis etwa 7,9·105 Pa (100 psig) zugeführt wird. Zusätzlich kann
ausreichende Umgebungsluft durch den Hilfsluftejektor 28 mit
einer Strömungsmenge
des antreibenden Fluids von etwa 8,5 m3/h
(300 scfh) bis etwa 14,2 m3/h (500 scfh)
mitgerissen werden. Für
den Fachmann auf diesem Gebiet versteht es sich, daß die speziellen
Werte des Zuführungsdrucks
und der Strömungsmenge
des antreibenden Fluids von Faktoren, wie beispielsweise vom speziellen
antreibenden Fluid, von den geometrischen Eigenschaften des Hilfsluftejektors,
der erforderlichen Feuerungsrate des speziellen Ofens, den erforderlichen
Flammentemperaturen und dergleichen, abhängen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat der Einschnürungsbereich 36 eine
Gesamtlänge,
die dem etwa 6- bis etwa 12fachen Durchmesser des Einschnürungsbereichs 36 entspricht.
Die Länge des
Einschnürungsbereichs 36 wird
insbesondere gewählt,
um das antreibende Fluid 58 vorteilhaft für die Erzeugung
von Vakuumdruck am Negativdruckbereich 60 zu nutzen. Zusätzlich sorgen
die Längenerfordernisse des
Einschnürungsbereichs 36 bei
Einspritzung in die Oxidationsmittelleitung 38 für einen
vollständig
entwickelten Strahl aus antreibendem Fluid. Weiterhin entspricht
der Außendurchmesser
der ringförmigen Öffnung 56,
um eine hohe Umgebungsluftströmungsrate aufrechtzuerhalten,
vorzugsweise dem etwa 2- bis etwa 6fachen Durchmesser des Einschnürungsbereichs 36.
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Das
Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem der Erfindung kann
Verbrennungsluft in einem theoretisch korrekten stöchiometrischen
Verhältnis
für den
Betrieb kommerzieller Sauerstoff-Brennstoffbrenner bereitstellen.
Der Wirkungsgrad des Mitreißens
von Umgebungsluft kann durch Bestimmung eines Verstärkungsverhältnisses
gemessen werden. Dies ist das Verhältnis der mitgerissenen Luftmenge
zu einem Kubikfuß des
durch den Hilfsluftejektor 28 eingespritzten antreibenden
Fluids. Im Betrieb hat der Hilfsluftejektor 28, abhängig vom
speziellen antreibenden Fluid und vom Zuführungsdruck, ein Verstärkungsverhältnis von
etwa 5 bis etwa 20. Wenn beispielsweise flüssiger Sauerstoff als ein antreibendes
Fluid verwendet wird, das mit einem Druck von etwa 7,9·105 Pa (100 psig) zugeführt wird, kann ein Verstärkungsverhältnis von
etwa 10 bis etwa 20 erhalten werden.
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Für den Fachmann
auf diesem Gebiet versteht es sich, daß Brennereinspritzdüsenanordnungen
in verschiedenen Ausführungen üblicherweise
in kommerziellen Sauerstoff-Brennstoffbrennern Verwendung finden.
Während 2 einen
Sauerstoff-Brennstoffbrenner
zeigt, der ein spezielles Rohr für
Oxidationsmittel und ein spezielles Rohr für Brennstoff hat, ist in 3 eine
alternative Ausführung
dargestellt. Die Brennstoffleitung 42 ist teilweise von
der Oxidationsmittelleitung 38 umgeben. Im Brennerblock 44 werden
Oxidationsmittel von einer ringförmigen
Düse 64 eingespritzt,
und Brennstoff wird von der Brennstoffdüse 52 eingespritzt.
Der Hilfsluftejektor 28 kann, ähnlich wie vorstehend beschrieben,
an der Oxidationsmittelleitung 38 befestigt werden. Für den Fachmann
auf diesem Gebiet versteht es sich, daß unterschiedliche Einspritzdüsenausführungen
in einem Sauerstoff-Brennstoffbrenner aufgrund von Parametern, wie
beispielsweise Feuerungsleistung, Flammenstabilität, Flammentemperatur
und dergleichen, erforderlich sein können. Das Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem
der Erfindung kann mit einer Einspritzdüsenkonfiguration in beliebiger
Ausführung
betrieben werden. Zusätzlich
zu den in den 2 und 3 dargestellten
Konfigurationen, kann das Notfeuerungssystem mit anderen Konfigurationen,
wie beispielsweise Mehrfacheinspritzdüsenkonfigurationen und dergleichen,
verwendet werden.
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Ein
wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Möglichkeit, einen Sauerstoff-Brennstoffbrenner
unter Verwendung des Hilfsluftejektors 28 zu betreiben,
während
antreibendes Fluid mit einem Bruchteil der für einen Standardbetrieb erforderlichen
primären
Sauerstoffströmung
zugeführt
wird. In vielen Sauerstoff-Brennstoffbrennern ist es möglich, bis
zu etwa 40% der Nennleistung der Sauerstoff-Brennstoff-Feuerung unter Verwendung
von Umgebungsverbrennungsluft für
die Luft/Brennstoff-Verbrennung zu erzielen. Die Leistungsbegrenzung
ist ein Ergebnis einer reduzierten Flammenstabilität, die durch
die höheren
Strömungsgeschwindigkeiten der
mitgerissenen Umgebungsluft durch die Oxidationsmitteldüse bewirkt
wird. Die höheren
Strömungsmengen
bewirken, daß die
Flamme im Brennerblock 44 ausgeblasen wird, wodurch die
Feuerungsleistung für
Sauerstoff-Brennstoffbrenner in Rohr-in-Rohr-Ausführung begrenzt
wird, wie in 3 dargestellt. In Sauerstoff-Brennstoffbrennerausführungen
mit Mehrfachbrennstoff- und -oxidationsmittelleitungen können Feuerungsleistungen
von mehr als etwa 40% unter Verwendung von Umgebungsluft erhalten
werden. Die höhere Feuerungsleistung
ist zum Teil auf die viel geringeren durchschnittlichen Brennstoff-
und Verbrennungsluftgeschwindigkeiten zurückzuführen, wodurch die Flammenstabilität erhöht wird.
Beim Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners mit dem Notsystem
der Erfindung kann eine Feuerungsrate von bis zu etwa 50 bis etwa
60% der normalen Sauerstoff-Brennstoff- Feuerungsrate erzielt werden. Diese
hohe Feuerungsrate wird erhalten, indem flüssiger Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte
Luft als das antreibende Fluid verwendet wird.
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Das
Notsystem der Erfindung kann, zusätzlich zu höheren Feuerungsraten, mit nur
etwa 18 Volumenprozent der für
einen Standardbetrieb erforderlichen primären Sauerstoffströmung betrieben
werden. Wenn Stickstoff als das antreibende Fluid verwendet wird,
entspricht das Strömungsmengenerfordernis
des antreibenden Fluids demzufolge etwa 25 Volumenprozent der primären Sauerstoffströmungsmenge
während
des Standardbetriebs. Ein wichtiger Aspekt bei Verwendung von flüssigem Sauerstoff,
Stickstoff oder einem anderen antreibenden Fluid besteht darin,
daß die
Ofenfeuerung durch den Sauerstoff-Brennstoffbrenner ohne Unterbrechung
erfolgen kann. Das Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem
der Erfindung bietet, ungeachtet des verwendeten speziellen antreibenden
Fluids, ein schnelles, sicheres, zuverlässiges und kostenwirksames
Verfahren für
den Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners während eines
Ausfalls der primären Sauerstoffversorgung.
Die Wahl eines speziellen antreibenden Fluids hängt von zahlreichen Parametern
ab, wie beispielsweise Preis, Verfügbarkeit, Anlageneinrichtungen,
Lagerverfügbarkeit
und dergleichen. Beispiele von Betriebsparametern für ein Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystem
der Erfindung unter Verwendung von Sauerstoff oder Stickstoff als
ein antreibendes Fluid sind in Tabelle 1 dargestellt.
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Die
in Tabelle 1 aufgeführten
Leistungsparameter beziehen sich auf einen Rohr-in-Rohr-Sauerstoff-Brennstoffbrenner
mit einer Leistung von 2110 MMJ/h (2 MMBtu/h). Die Daten in Tabelle
1 zeigen, daß ein
Sauerstoff-Brennstoffbrenner mit Notfeuerung unter Verwendung des
Systems der Erfindung mit Sauerstoff als einem antreibenden Fluid
mit einer Strömungsmenge
von etwa 18 Volumenprozent der primären Sauerstoffströmungsmenge
betrieben werden kann. Die vom Sauerstoff-Brennstoffbrenner eingespritzten
Gesamtverbrennungsgase haben einen Anreicherungsgrad von etwa 0,246%.
Wenn Stickstoff als ein antreibendes Fluid verwendet wird, beläuft sich
demzufolge die erforderliche Strömungsmenge
auf etwa 25% der primären Sauerstoffströmungsmenge.
Wenn Stickstoff verwendet wird, beträgt die Gesamtsauerstoffkonzentration
des Oxidationsmittelgases etwa 0,20%. In vielen Fällen ist
ein Stickstoffbetrieb ausreichend, um die notwendige Verbrennungsluft
für den
Betrieb eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners
im Falle eines Ausfalls des primären Sauerstoffs
mitzureißen.
Der Betrieb des Sauerstoff-Brennstoffbrennernotfeuerungssystems
der Erfindung unter Verwendung von entweder Sauerstoff oder Stickstoff
läßt einen
Betrieb des Sauerstoff-Brennstoffbrenners ohne
Unterbrechung einer hohen Feuerungsleistung zu.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung ist im Querschnitt in 4 dargestellt.
Eine primäre Sauerstoffversorgungsleitung 66 ist
mit einer ringförmigen
Oxidationsmittelleitung 68 gekoppelt. Ein Hilfsluftejektor 70 ist
durch eine Standardkupplung, bei der es sich um ein schnell lösbares Anschlußstück handeln kann,
mit einer primären
Sauerstoffversorgungsleitung 66 gekoppelt. Eine obere Platte 72 kann
in einer vertikalen Richtung eingestellt werden, um die Menge der
in eine ringförmige Öffnung 74 eintretenden
Umgebungsluft zu regulieren. Ein Lager 76 ermöglicht es,
daß sich
die obere Platte 72 gegenüber dem für antreibendes Fluid vorgesehenen
Rohr 78 vertikal gleitend verschieben kann. Antreibendes
Fluid wird durch das Fluidrohr 78 in einen Einschnürungsbereich 80 des
Hilfsluftejektors 70 eingespritzt. Mitgerissene Umgebungsluft
und antreibendes Fluid werden in die Oxidationsmittelleitung 68 gedrückt und
an der Düse 84 in
einen Brennerblock 82 eingespritzt. Brennstoff wird durch
eine Brennstoffleitung 86 in den Brennerblock 82 eingespritzt.
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Um
einen automatischen Betrieb zu erzielen, kann der Hilfsluftejektor 70 mit
einem (nicht dargestellten) Magnetventil ausgestattet werden, um
die Zufuhr des antreibenden Fluids zu steuern. Ein (nicht dargestellter)
elektrischer Schaltkreis kann eingegliedert werden, um die Zufuhr
des antreibenden Fluids zu aktivieren, wenn ein Ausfall des primären Sauerstoffs
ermittelt wird. Zusätzlich
kann die obere Platte 72 entweder manuell oder automatisch
aktiviert werden, um die Menge der mitgerissenen Umgebungsluft während des
Betriebs des Hilfsluftejektors 70 einzustellen.
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Es
sei besonders darauf hingewiesen, daß die in den 2–4 dargestellten
Ausführungsformen der
Erfindung entweder für
eine Fortsetzung des Betriebs eines Sauerstoff-Brennstoffbrenners
oder alternativ dafür
verwendet werden können,
einem Sauerstoff-Brennstoffbrenner,
der abrupt abgeschaltet wurde, Kühlluft zuzuführen. Die
Zufuhr von Kühlluft
ist für
einen Sauerstoff-Brennstoffbrenner mit Eigenkühlung von ganz entscheidender
Bedeutung. Kühlluft,
die ausreicht, um eine thermische Schädigung des Sauerstoff-Brennstoffbrenners
zu verhindern, kann entweder durch den Hilfsluftejektor 28 oder
den Hilfsluftejektor 70 mit einer Menge von etwa 8,5 m3/h (300 scfh) bis etwa 14,2 m3/h
(500 scfh) oder durch jeden Sauerstoff-Brennstoffbrenner, der mit einem Hilfsluftejektor
ausgestattet ist, bereitgestellt werden. Zusätzlich zur Bereitstellung von
Kühlluft stellt
das Sauerstoff-Brennstoffnotfeuerungssystem
auch die erforderliche Spülluft
zur Verfügung,
um Verfahrensgase innerhalb des Ofens und flüchtige Partikel von den Brennerdüsen fernzuhalten.
Das Einspritzen von Spülluft
während
einer Abschaltung des Sauerstoff-Brennstoffbrenners kann eine chemische
Korrosion und Oxidation der Brennerdüsen durch im Ofen vorhandene
gasförmige
Stoffe verhindern.
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Es
wurden somit ein Sauerstoff-Brennstoffbrenner mit einem Notfeuerungssystem
und ein Betriebsverfahren beschrieben, die die vorstehend aufgeführten Vorteile
in vollem Umfang bereitstellen. Für den Fachmann auf diesem Gebiet
versteht es sich, daß zahlreiche
Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich
der Erfindung, wie in den Ansprüchen
definiert, abzuweichen. Es können
beispielsweise zahlreiche geometrische Variationen der hierin dargestellten
Hilfsluftejektoren vorgenommen werden, um die Funktion der Zufuhr
von Luft für
den Brennerbetrieb sowie für
Kühlungszwecke
zu erfüllen.
