DE69623186T2

DE69623186T2 - Verbessertes Verfahren für stufenweise Verbrennung

Info

Publication number: DE69623186T2
Application number: DE69623186T
Authority: DE
Inventors: Hisashi Kobayashi; Ronald William Schroeder; Geoffrey Bruce Tuson
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2016-06-13
Also published as: DE69623186D1; BR9602760A; EP0748982A2; ES2181825T3; US5755818A; EP0748982A3; EP0748982B1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die stufenweise Verbrennung innerhalb eines Ofens, der eine durch von der Verbrennung erzeugte Wärme zu erwärmende Charge enthält.

Stand der Technik

Stickoxide (NOX) sind während der Verbrennung erzeugte signifikante Schadstoffe und die Reduktion ihrer Erzeugung während der Durchführung der Verbrennung ist erwünscht. Es ist bekannt, dass die Verbrennung mit einer verringerten NOx-Erzeugung unter Verwendung von technisch reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft als das Oxidationsmittel durchgeführt werden kann, da dies die der Verbrennungsreaktion zugeführten Menge an Stickstoff auf einer äquivalenten Sauerstoffbasis reduziert. Allerdings führt die Verwendung eines Oxidationsmittels mit einer höheren Sauerstoffkonzentration als die von Luft zu einem Ablauf der Verbrennungsreaktion mit einer höheren Temperatur, wobei diese höhere Temperatur die Ausbildung von NOx kinetisch begünstigt.
US-A-5 387 100 offenbart ein Verfahren zum Durchführen einer stufenweisen Verbrennung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6. In diesem Verfahren werden Brennstoff und Oxidationsmittel einer Verbrennungszone in mindestens einem Strom zugeführt, der reich an erstem Brennstoff und erstem Oxidationsmittel in einem unterstöchiometrischen Verhältnis ist, sowie in mindestens einem Strom, der arm an zweitem Brennstoff und zweitem Oxidationsmittel in einem überstöchiometrischen Verhältnis ist. Vorgeschlagen wird, die reichen und mageren Ströme in einer durch abwechselnde Seiten gekennzeichneten Beziehung in den Ofen zu injizieren.
Die stufenweise Verbrennung ist zur Reduktion von NOx-Erzeugung insbesondere dann verwendet worden, wenn das Oxidationsmittel ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration ist, die diejenige von Luft übersteigt. Bei der stufenweisen Verbrennung werden Brennstoff und Oxidationsmittel in eine Verbrennungszone in einem unterstöchiometrischen Verhältnis eingeleitet und verbrannt. Aufgrund der für die Verbrennung verfügbaren überschüssigen Menge an Brennstoff reagieren sehr wenige der Sauerstoffmoleküle des Oxidationsmittels mit Stickstoff zur Ausbildung von NOx. Zusätzlicher Sauerstoff wird der Verbrennungszone zugeführt, um die Verbrennung in einer zweiten stromabwärtigen Stufe zu vervollständigen. Da der Sekundärsauerstoff zuerst mit Ofengasen verdünnt wird, bevor er sich mit dem unverbrannten Brennstoff vermischt, vollzieht sich die Verbrennung in der zweiten Stufe nicht mit sehr hohen Temperaturen, wodurch die Menge an ausgebildetem NOx begrenzt wird.
Zur Durchführung einer effektiven Verbrennung mit Oxidationsmittel, das eine höhere Sauerstoffkonzentration als diejenige von Luft aufweist, müssen der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel dem Ofen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit zugeführt werden, um den notwendigen Impuls zu bewerkstelligen. Die Reaktionspartner der Verbrennung müssen einen bestimmten Impuls aufweisen, um ein angemessenes Vermischen des Brennstoffs und Oxidationsmittels für eine effiziente Verbrennung zu bewerkstelligen. Ebenfalls bewirkt der hohe Impuls eine effektivere Ausbreitung der Verbrennungsreaktionsprodukte in dem Ofen zur Übertragung von Wärme an die Ofencharge. Der Impuls ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. Ein Oxidationsmittel mit einer diejenige von Luft übersteigenden Sauerstoffkonzentration verfügt über eine geringere Masse als Luft auf einer äquivalenten Sauerstoffmolekülbasis. Zum Beispiel weist ein Oxidationsmittelfluid mit einer Sauerstoffkonzentration von 30 Molprozent etwa 70% der Masse einer für die Oxidation äquivalenten Menge an Luft auf. Dementsprechend muss zur Aufrechterhaltung des notwendigen Impulses die Geschwindigkeit der Verbrennungsreaktion, d. h. die Geschwindigkeit des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels der Verbrennungsreaktion dementsprechend höher ausfallen.
In vielen Industrieofenvorgängen erweist sich die hohe Geschwindigkeit und das darauf folgende heftige Vermischen und Ausbreiten der Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens als nicht nachteilig. Jedoch kann es in einigen Situationen erwünscht sein, eine oder mehrere Verbrennungsreaktionsprodukte von einem Kontakt mit der Charge abzuhalten. Zum Beispiel könnte(n) eines oder mehrere der Verbrennungsreaktionsprodukte mit der Charge chemisch reagieren und eine unerwünschte chemische Reaktion erzeugen. Dieses Problem kann durch das Dazwischensetzen einer physikalischen Barriere zwischen die Verbrennungsreaktion und die Charge beseitigt werden, aber diese Lösung bürdet dem Ofenbetrieb selbst dann eine signifikante Energieeinbuße auf, wenn die Barriere aus einem Material mit guten Wärmeübertragungseigenschaften angefertigt ist.
Weiterhin kann die Errichtung einer stärker oxidierenden Atmosphäre oder einer stärker reduzierenden Atmosphäre direkt über der Charge erwünscht sein als dies der Fall wäre, wenn die Atmosphäre innerhalb des Ofens homogen ausfiele.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung einer verbesserten stufenweisen Verbrennung, bei der Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Verbrennungsreaktion mit dem notwendigen Impuls verbrennen und wobei die Charge an einem schädlichen Kontakt mit Verbrennungsreaktionsprodukten geschützt wird, während nach wie vor eine gute Wärmeübertragung von der Verbrennungsreaktion zu der Charge sichergestellt wird.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten stufenweisen Verbrennung, bei der eine stärker oxidierende oder eine stärker reduzierende Atmosphäre direkt über der Charge ausgebildet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, die sich dem Fachmann anhand dieser Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Ausführen einer gestuften Verbrennung besteht, bei welchem:
(A) Brennstoff und Primäroxidationsmittel in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, welches 70% des stöchiometrischen Verhältnisses nicht übersteigt, in einen eine Charge enthaltenden Ofen an einer Stelle oberhalb der Charge injiziert werden, wobei das Primäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff enthält, wobei der Brennstoff und/oder das Primäroxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit in den Ofen injiziert wird/werden, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;
(B) Brennstoff und Primäroxidationsmittel innerhalb des Ofens verbrannt werden, um Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte einschließlich unverbranntem Brennstoff zu erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Verfahrens ferner
(C) Sekundäroxidationsmittel durch eine Lanze innerhalb des Ofens zwischen der Charge und der Injektionsstelle des Brennstoffs und des Primäroxidationsmittels bereitgestellt wird, wobei das Sekundäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff enthält und bei einer Geschwindigkeit eingebracht wird, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;
(D) nahe der Charge eine Sekundäroxidationsmittelgasschicht ausgebildet wird, die eine andere Zusammensetzung als die Inhalte im Rest des Ofens hat und die stärker oxidierend gegenüber der Charge ist als die Verbrennungsreaktionsprodukte; und
(E) Sekundäroxidationsmittel mit unverbranntem Brennstoff verbrannt wird, um zusätzliche Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens zu erzeugen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Ausführen einer gestuften Verbrennung, bei welchem:
(A) Brennstoff und Primäroxidationsmittel in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, welches 70% des stöchiometrischen Verhältnisses nicht übersteigt, in einen eine Charge enthaltenden Ofen an einer Stelle oberhalb der Charge injiziert werden, wobei das Primäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff enthält, wobei der Brennstoff und/oder das Primäroxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit in den Ofen injiziert wird/werden, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;
(B) Brennstoff und Primäroxidationsmittel innerhalb des Ofens verbrannt werden, um Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte einschließlich unverbranntem Brennstoff zu erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Verfahrens ferner
(C) Sekundäroxidationsmittel durch eine Lanze innerhalb des Ofens oberhalb der Injektionsstelle des Brennstoffs und Primäroxidationsmittels bereitgestellt wird, wobei das Sekundäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff aufweist und bei einer Geschwindigkeit bereitgestellt wird, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;
(D) eine brennstoffreiche Gaslage nahe der Charge mit anderer Zusammensetzung als die Inhalte im Rest des Ofens bereitgestellt wird, wobei die brennstoffreiche Lage stärker reduzierend gegenüber der Charge ist als das Sekundäroxidationsmittel; und
(E) Sekundäroxidationsmittel mit unverbranntem Brennstoff verbrannt wird, um zusätzliche Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens bereitzustellen.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Produkte der vollständigen Verbrennung" ein oder mehrere Produkte aus Kohlendioxid und Wasserdampf.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Produkte der unvollständigen Verbrennung" ein oder mehrere Produkte aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlenstoff und teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen. Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "unverbrannter Brennstoff" Brennstoff, der keiner Verbrennung unterzogen wurde und/oder Produkte der unvollständigen Verbrennung.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "stöchiometrisch" das Verhältnis von Sauerstoff zu Brennstoff für Verbrennungszwecke. Ein stöchiometrisches Verhältnis von weniger als 100% bedeutet, dass weniger Sauerstoff als die für die vollständige Verbrennung des vorhandenen Brennstoffs erforderliche Menge vorliegt, d. h. brennstoffreiche Bedingungen. Ein stöchiometrisches Verhältnis von über 100% bedeutet, dass mehr Sauerstoff als für die vollständige Verbrennung des vorhandenen Brennstoffs vorhanden ist, d. h. überschüssige Sauerstoffbedingungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Erfindung, in der die Gaslage über der Charge stärker oxidierend ist.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der die Gaslage über der Charge stärker reduzierend ist.

Ausführliche Beschreibung

Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend ist ein Industrieofen 1 dargestellt, der eine Charge 2 enthält. Jeder durch einen oder mehrere Brenner erwärmte Industrieofen kann in der Praxis dieser Erfindung benutzt werden. Beispiele solcher Öfen beinhalten einen Stahlnachwärmofen, in dem die Charge Stahl ist, einen Aluminiumschmelzofen, in dem die Charge Aluminium ist, einen Glasschmelzofen, in dem die Charge Glasherstellungsmaterialien aufweist, und einen Zementofen, in dem die Charge Zement aufweist.
Brennstoff 6 und Primäroxidationsmittel 7 werden dem Ofen 1 an einer Stelle 3 über der Charge 2 wie z. B. durch einen Brenner 4 zugeführt. Der Brennstoff und das Primäroxidationsmittel können getrennt voneinander oder miteinander in einem vorgemischten Zustand in den Ofen 1 injiziert werden. Der Brennstoff und das Primäroxidationsmittel können durch eine Mehrzahl von Brennern in den Ofen 1 eingeleitet werden. In der Praxis dieser Erfindung kann jeder geeignete Oxy-Brennstoff-Brenner benutzt werden. Ein für die Verwendung in der Praxis dieser Erfindung besonders bevorzugter Oxy-Brennstoff- Brenner ist der in US-A-5 411 395, Kobayashi et al., offenbarte Brennstoffstrahl-Brenner, wobei dieses Patent hier als Referenz dient.
Der Brennstoff kann jedes Gas oder andere Fluid sein, das Verbrennungsmaterialien enthält, welche in der Verbrennungszone des Ofens verbrennen können. Unter solchen Brennstoffen können Erdgas, Koksofengas, Propan, Methan und Öl angeführt werden.
Das Primäroxidationsmittel ist ein Fluid mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 50 Volumenprozent Sauerstoff und vorzugsweise von mindestens 90 Volumenprozent Sauerstoff. Das Primäroxidationsmittel kann kommerziell reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5% oder mehr sein.
Der Brennstoff und das Primäroxidationsmittel werden dem Ofen 1 derart mit Strömungsraten zugeführt, dass das stöchiometrische Verhältnis von Primärsauerstoff zu Brennstoff weniger als 70% beträgt und vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 50% des stöchiometrischen Verhältnisses liegt.
Der Brennstoff und/oder das Primäroxidationsmittel werden in den Ofen 1 mit einer Geschwindigkeit injiziert, die 30,5 m/s (100 Fuß/s (fps)) übersteigt und vorzugsweise in dem Bereich von 45,7 bis 91,4 m/s (150 bis 300 fps) liegt, um den Reaktionspartnern der Verbrennung den notwendigen Impuls zu übermitteln. Der Brennstoff und das Primäroxidationsmittel verbrennen in dem Ofen 1 in einer Verbrennungsreaktion 5, um Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte zu erzeugen. Die Verbrennungsreaktionsprodukte können Produkte der vollständigen Verbrennung beinhalten, aber weisen aufgrund des definierten unterstöchiometrischen Verhältnisses von Primärsauerstoff zu Brennstoff auch unverbrannten Brennstoff auf. Die unvollständige Verbrennung des Brennstoffs mit dem Primäroxidationsmittel ermöglicht es, dass die Verbrennung von Brennstoff und Primäroxidationsmittel mit wesentlich niedrigeren Temperatur fortschreiten kann, als dies anderweitig der Fall wäre, wodurch die Tendenz zur Ausbildung von NOx verringert wird. Ebenfalls können die Verbrennungsreaktionsprodukte aufgrund einer unvollständigen Vermischung und einer kurzen Verweildauer während der Verbrennungsreaktion etwas Restsauerstoff aufweisen, obgleich es auch möglich ist, dass die Konzentration von Sauerstoff in den Verbrennungsreaktionsprodukten null beträgt.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine oxidierende Gaslage über der Chargenoberfläche ausgebildet wird, wird Sekundäroxidationsmittel 8 dem Ofen 1 durch eine Lanze 10 zwischen der Stelle 3 und der Charge 2 zugeführt, um eine Sekundäroxidationsmittel-Gaslage 9 nahe der Charge 2 und zwischen der Verbrennungsreaktion 5 und der Charge 2 auszubilden. Das Sekundäroxidationsmittel wird vorzugsweise in den Ofen an einer Stelle unter der Stelle 3 injiziert, obwohl es auch auf dem gleichen Pegel oder sogar über der Stelle 3 und nach unten zu der Charge hin angewinkelt in den Ofen eingeleitet werden kann. Das Sekundäroxidationsmittel kann dem Ofen von einer Stelle senkrecht unter dem Brennstoff und Primäroxidationsmittel oder von einer Stelle zugeführt werden, die von der Senkrechten verlagert ist, z. B. mit einem Winkel von bis zu 45º.
In der in Fig. 2 illustrierten Ausführungsform der Erfindung, in der eine reduzierende Gaslage über der Chargenoberfläche ausgebildet wird, wird das Sekundäroxidationsmittel 8 dem Ofen 1 durch die Lanze 10 über der Stelle 3 zugeführt. Vorzugsweise wird in dieser Ausführungsform das Sekundäroxidationsmittel in den Ofen an einer Stelle oberhalb der Stelle 3 injiziert, obgleich es auch an dem gleichen Pegel oder sogar unter der Stelle 3 und nach aufwärts angewinkelt weg von der Charge in den Ofen eingeleitet werden kann. Das Sekundäroxidationsmittel kann dem Ofen von einer Stelle senkrecht über dem Brennstoff und Primäroxidationsmittel oder von einer Stelle zugeführt werden, die von der Senkrechten verlagert ist, z. B. mit einem Winkel von bis zu 45º.
Das Sekundäroxidationsmittel liegt in der Form eines Fluids mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 50 Molprozent und vorzugsweise von mindestens 90 Molprozent vor. Das Sekundäroxidationsmittel kann kommerziell reiner Sauerstoff sein. Das Sekundäroxidationsmittel 8 wird dem Ofen 1 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 30,5 m/s (100 fps) und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die in dem Bereich von 45,7 bis 91,4 m/s (150 bis 300 fps) liegt. In der Praxis dieser Erfindung ist es wichtig, dass das Oxidationsmittel eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die signifikant größer als diejenige von Luft ist. Für eine gegebene Menge an Brennstoffverbrauch verringert sich das gesamte Volumen von durch den Ofen geleiteten Gasen mit einem Ansteigen der Sauerstoffkonzentration des Oxidationsmittels. Dieses niedrigere Volumenströmung durch den Ofen mit den für die stufenweise Verbrennungspraxis dieser Erfindung erforderlichen Geschwindigkeiten ermöglicht die Ausbildung der Gaslage nahe der Charge mit einer anderen Zusammensetzung als die Inhalte im Rest des Ofens.
Die Sekundäroxidationsmittel-Gaslage 9 weist eine Sauerstoffkonzentration auf, die diejenige der Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb der Verbrennungsreaktion 5 übersteigt. Obgleich jede geeignete Sauerstofflanze zum Injizieren des Sekundäroxidationsmittels in den Ofen in der Praxis dieser Erfindung benutzt werden kann, ist es bevorzugt, dass das Sekundäroxidationsmittel unter Verwendung der in US- A-5 295 816, Kobayashi et al., offenbarten Gasinjektionslanze in den Ofen injiziert wird, wobei dieses Patent hier als Referenz dient.
Das Sekundäroxidationsmittel wird dem Ofen mit einer derartigen Strömungsrate zugeführt, dass es nach der Hinzufügung zu dem Primäroxidationsmittel ein stöchiometrisches Verhältnis mit dem Brennstoff von mindestens 90% und vorzugsweise in dem Bereich von 100 bis 110% ausbildet. Ist das stöchiometrische Verhältnis des Primär- und Sekundäroxidationsmittels zu dem Brennstoff kleiner als 100%, kann der zur Bewerkstelligung einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs innerhalb des Ofens erforderliche restliche Sauerstoff durch Einsickern von Luft zugeführt werden. Vorzugsweise beträgt das Impulsströmungsverhältnis des Brennstoffs und Primäroxidationsmittelstroms zu dem Sekundäroxidationsmittelstrom etwa 1,0, obwohl ebenfalls eine leichte Abweichung von diesem Wert wie z. B. ein Impulsströmungsverhältnis in dem Bereich von 0,3 bis 2,0 oder weniger akzeptabel ist.
Ein neuerer signifikanter Fortschritt auf dem Gebiet der Verbrennung ist in US-A-5 242 296, Tuson et al., offenbart. Die vorliegende Erfindung weicht von der typischen stufenweisen Verbrennungsanordnung wie z. B. der in obigem Patent von Tuson et al. benutzten Technik ab, als dass das Sekundäroxidationsmittel dem Ofen signifikant unter oder über derjenigen Stelle zugeführt wird, an der das Primäroxidationsmittel und der Brennstoff in den Ofen injiziert werden.
In der Verbrennungsreaktion 5 erzeugte Wärme strahlt zu der Charge ab, um diese zu erwärmen. Diese Wärme strahlt entweder direkt oder durch die Sekundäroxidationsmittel-Gaslage 9 von der Verbrennungsreaktion 5 zu der Charge ab. Durch Konvektion wird sehr wenig Wärme von der Verbrennungsreaktion zu der Charge geführt.
Aufgrund der Stelle, an der das Sekundäroxidationsmittel dem Ofen zugeführt wird, wird entweder eine stärker oxidierende oder eine stärker reduzierende Gaslage ausgebildet, die mit der Charge 2 auf eine Weise in Wechselwirkung tritt, die sich von derjenigen unterscheidet, welche bei einer homogenen Ofenatmosphäre auftreten würde.
Stromab von der Verbrennungsreaktion 5 vermischen sich das Sekundäroxidationsmittel und der unverbrannte Brennstoff wie z. B. in einem Bereich 11 in dem Ofen 1, was dazu dient, die Verbrennung des Brennstoffs zu vervollständigen und zusätzliche Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens bereitzustellen.
Vorzugsweise werden die Verbrennungsreaktionsprodukte in dem Ofen 1 von dem Ofen an einer Stelle abgelassen, die nicht unter der Stelle 3 liegt, an der Brennstoff und Primäroxidationsmittel dem Ofen zugeführt werden, wie z. B. an einem Austritt 12.
In einer bevorzugten Praxis der Erfindung, bei der die Gaslage nahe der Charge gegenüber der Charge stärker oxidierend als die Verbrennungsreaktionsprodukte ist, übersteigt Xj/Ds 5 und vorzugsweise 10. Xc/Ds beträgt weniger als 100 und vorzugsweise weniger als 50. Xj ist der axiale Abstand von der Stelle, an der das Sekundäroxidationsmittel in den Ofen injiziert wird, zu der Wechselwirkungsstelle des Sekundäroxidationsmittels mit dem Brennstoff/Primäroxidationsmittel-Verbrennungsreaktionsstrom. Diese Wechselwirkungsstelle ist diejenige Stelle, wo sich die divergierenden Kegel mit einem Halbwinkel von 5º von den Injektionsstellen des Brennstoff/Primäroxidationsmittels und des Sekundäroxidationsmittels zuerst schneiden. Ds ist der äquivalente Strahldurchmesser für das Sekundäroxidationsmittel und definiert als der tatsächliche Strahldurchmesser, multipliziert mit der Quadratwurzel aus Sekundäroxidationsmittel- Strahldichte/Ofengasdichte. Xc ist der axiale Abstand von der Stelle, an der das Sekundäroxidationsmittel in den Ofen injiziert wird, zu der Wechselwirkungsstelle von Strahl und Charge, die als diejenige Stelle definiert ist, wo sich ein divergierender Kegel mit einem Halbwinkel von von der Sekundäroxidationsmittel-Injektionsstelle zuerst mit der Chargenoberfläche schneidet.

Claims

1. Verfahren zum Ausführen einer gestuften Verbrennung, bei welchem:

(A) Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, welches 70% des stöchiometrischen Verhältnisses nicht übersteigt, in einen eine Charge (2) enthaltenden Ofen (1) an einer Stelle oberhalb der Charge injiziert werden, wobei das Primäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff enthält, wobei der Brennstoff und/oder das Primäroxidationsmittel mit einer Geschwindigkeit in den Ofen injiziert wird/werden, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;

(B) Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) innerhalb des Ofens (1) verbrannt werden, um Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte einschließlich unverbranntem Brennstoff zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Verfahrens ferner

(C) Sekundäroxidationsmittel (8) durch eine Lanze (10) innerhalb des Ofens (1) zwischen der Charge (2) und der Injektionsstelle (3) des Brennstoffs (6) und des Primäroxidationsmittels (7) bereitgestellt wird, wobei das Sekundäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff enthält und bei einer Geschwindigkeit eingebracht wird, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;

(D) nahe der Charge (2) eine Sekundäroxidationsmittelgasschicht (9) ausgebildet wird, die eine andere Zusammensetzung als die Inhalte im Rest des Ofens hat und die stärker oxidierend gegenüber der Charge ist als die Verbrennungsreaktionsprodukte; und

(E) Sekundäroxidationsmittel (8) mit unverbranntem Brennstoff verbrannt wird, um zusätzliche Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) in den Ofen (1) in einem unterstöchiometrischen Verhältnis im Bereich von 5 bis 50% des stöchiometrischen Verhältnisses injiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Verbrennungsreaktionsprodukte von dem Ofen (1) an einer Stelle abgezogen werden, die nicht unterhalb der Stelle (3) liegt, wo Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) in den Ofen injiziert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Charge (2) Stahl, Aluminium, Glasherstellungsmaterialien und/oder Zement umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sekundäroxidationsmittel (8) bei einer Strömungsrate bereitgestellt wird, die ausreicht, um Sauerstoff derart in den Ofen (1) einzubringen, dass das stöchiometrische Verhältnis des Primäroxidationsmittels (7) und des Sekundäroxidationsmittels (8) zu dem Brennstoff (6), die in den Ofen injiziert werden, mindestens 90% beträgt.

6. Verfahren zum Ausführen einer gestuften Verbrennung, bei welchem

dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Verfahrens ferner

(C) Sekundäroxidationsmittel (8) durch eine Lanze (10) innerhalb des Ofens (1) oberhalb der Injektionsstelle (3) des Brennstoffs (6) und Primäroxidationsmittels (7) bereitgestellt wird, wobei das Sekundäroxidationsmittel ein Fluid ist, welches mindestens 50 Molprozent Sauerstoff aufweist und bei einer Geschwindigkeit bereitgestellt wird, die 30,5 m/s (100 Fuß/s) übersteigt;

(D) eine brennstoffreiche Gaslage nahe der Charge (2) mit anderer Zusammensetzung als die Inhalte im Rest des Ofens bereitgestellt wird, wobei die brennstoffreiche Lage stärker reduzierend gegenüber der Charge ist als das Sekundäroxidationsmittel (8); und

(E) Sekundäroxidationsmittel (8) mit unverbranntem Brennstoff verbrannt wird, um zusätzliche Wärme und Verbrennungsreaktionsprodukte innerhalb des Ofens (1) bereitzustellen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) in den Ofen in einem unterstöchiometrischen Verhältnis im Bereich von 5 bis 50% des stöchiometrischen Verhältnisses injiziert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem Verbrennungsreaktionsprodukte von dem Ofen (1) an einer Stelle abgezogen werden, die nicht unterhalb jener Stelle liegt, wo Brennstoff (6) und Primäroxidationsmittel (7) in den Ofen injiziert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Charge (2) Stahl, Aluminium, Glasherstellungswerkstoffe und/oder Zement umfasst.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Sekundäroxidationsmittel (8) bei einer Durchflussrate bereitgestellt wird, die ausreicht, um Sauerstoff in den Ofen (1) derart einzubringen, dass das stöchiometrische Verhältnis des Primäroxidationsmittels (7) und des Sekundäroxidationsmittels (8) zu dem Brennstoff (6), die in den Ofen injiziert werden, mindestens 90% beträgt.