EP1007882B1 - Ummantelung für brennerlanze - Google Patents

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EP1007882B1
EP1007882B1 EP98945147A EP98945147A EP1007882B1 EP 1007882 B1 EP1007882 B1 EP 1007882B1 EP 98945147 A EP98945147 A EP 98945147A EP 98945147 A EP98945147 A EP 98945147A EP 1007882 B1 EP1007882 B1 EP 1007882B1
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segments
external pipe
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burning lance
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Peter KÜNNE
Hellmut Arnold
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Magotteaux International SA
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/76—Protecting flame and burner parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D—BURNERS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00018—Means for protecting parts of the burner, e.g. ceramic lining outside of the flame tube

Definitions

  • the invention relates to a burner lance, in particular for Rotary tube furnaces made of several concentric tubes for guidance of cooling air, combustion air and fuel, nozzles on flame-side end and a refractory jacket of the outer tube, as for example in DE-Z .: E. Steinbiß "multi-jet burner for special requirements for coal dust combustion "in cement-lime gypsum (35th year) No. 5/1982, pp. 250 to 252.
  • a burner with concentric tubes for guiding Cooling air, combustion air and fuel, in which the outside Pipe is surrounded by a refractory coating that attached to the outer tube by anchors is off U.S. Patent 4,614,159.
  • DE-C-4 405 382 discloses a burner tube with a refractory casing, in which reinforcements are inserted.
  • jacket nozzles for rotary kilns
  • one at its free End provided with at least one nozzle opening
  • It is a tubular hollow body penetrating the furnace jacket known according to German utility model 72 43 054, the hollow body with a tubular, ceramic casing to be provided in the form of a cladding tube, wherein between the tubular hollow body and the cladding tube spacer Setting a coaxial distance are arranged.
  • Such burner lances in rotary kilns are used for burning of cement clinker and lime or for firing and sintering Dolomite, magnesite, phosphate or pigments, for annealing Diatomaceous earth and for the thermal treatment of other raw materials used.
  • Those used in such rotary kilns Burner lances are subject to high thermal and mechanical stress at the flame end of the Burner lance is largest.
  • the burner lances protrude freely bearing over a length of up to currently 12 m in the Rotary kiln inside and are one hot and chemical as well exposed to mechanically aggressive atmosphere.
  • Burner lance is in the concentric tubes Combustion air as cooling air or additional cooling air guided while using the outer tube on its outside is provided with a fireproof casing, which is usually from one attached to anchors of the outer tube, fireproof ramming compound. Because of the particularly high Stress on the flame side of the burner lance the fireproof sheathing usually for the flame side Conical thickening at the end.
  • the invention is therefore based on the problem that Improve burner lances so that a longer one with them Operating period without interrupting furnace operation is achievable.
  • the rings or segments with their radial anchor elements assume a temperature that is between that of the outside Tube and the outer surface of the refractory casing lies. This results in lower differences in elongation between the rings or segments and the refractory Sheathing so that the risk of cracking and Flaking is reduced. Furthermore it is possible to Operation after chipping of parts of the casing to continue because the cooled rings or segments have another provide adequate thermal protection.
  • the space between the rings or segments and the outer Pipe is used to guide cooling air to the flame side End of the burner lance, the number of openings in the outer tube and the length range on which the openings are arranged depending on the length of the Burner lance and the raw materials processed in the rotary kiln as well as the furnace temperature are to be determined, on the one hand, the Passage of a sufficient amount of cooling air guarantee, on the other hand, however, the losses caused by the To keep cooling air low and the rings or segments on not cool down too much on the inside.
  • the Anchor elements preferably made of honeycomb on the rings or segments arranged, radially in the direction of Cladding widening ribs exist.
  • the fireproof Sheathing can be introduced into the honeycomb as ramming paste be applied with such a thickness that a sufficient Coverage of the ribs is achieved.
  • the high-temperature-resistant cast alloy can preferably be one corresponding to the refractory casing Have coefficients of thermal expansion.
  • segments are used instead of complete rings, can these be screwed to the outer tube and in Interlocking area also interlock like a sleeve.
  • Anchor rods can be attached to the rings or segments, if necessary in addition to the anchor elements in the form of cast-on Ribs attached, preferably welded.
  • burner lance one is generally designated by the reference numeral 1 marked burner lance shown, of which only one outer tube 2, but not others, concentric therein arranged pipes and no nozzles on the flame side End shown as these elements are for the invention are immaterial.
  • the outer tube 2 is encompassed by rings 4, which on their Have projections 6 inside, which act as spacers serve against the outer surface of the outer tube 2, so that a distance 5 is formed in the form of a free space, into the cooling air through radial bores 8 in the outer tube 2 enter and to the flame end of the burner lance 1 can flow. Due to the arrangement of the spacers 6 there is only point contact between the rings 4 and the outer tube 2, whereby the Heat transfer through conduction between the outer tube 2 and the rings 4 is reduced.
  • radial Anchor elements 7 arranged in the form of ribs, which are honeycomb-like are arranged and thus honeycomb openings 10 between them form.
  • the ribs 7 widen radially to one widened head 9 so that the honeycomb 10 radially inward Form undercuts for a in Fig. 1 as Rammable casing 3 shown ramming mass Ensure a secure hold.
  • the rings 4 preferably consist of a highly heat-resistant cast alloy and have a Coefficient of thermal expansion that the refractory casing comes as close as possible.
  • Rings 4 and the radial holes 8 can vary Rings 4 and the radial holes 8 over a more or less large length range of the burner lance 1, starting extend from the flame side end, the number and the Diameter of the radial bores 8 and the width of the free Room 5 should be chosen so that without excessive loss Cooling air ensures the necessary cooling of the rings 4 is.
  • rings 4 around these rings can also be divided into segments, which are screwed to the outer tube 2, for example. This division can be advantageous if the The diameter of the outer tube 2 of the burner lance is very large becomes.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennerlanze, insbesondere für Drehrohröfen aus mehreren konzentrischen Rohren zur Führung von Kühlluft, Verbrennungsluft und Brennstoff, Düsen am flammenseitigen Ende und einer feuerfesten Ummantelung des äußeren Rohres, wie sie beispielsweise in der DE-Z.: E. Steinbiß "Mehrstrahlbrenner für die besonderen Anforderungen bei Kohlenstaubfeuerungen" in Zement-Kalk-Gips (35. Jahrgang) Nr. 5/ 1982, S. 250 bis 252, beschrieben ist.
Ein Brenner mit konzentrischen Rohren zur Führung von Kühlluft, Verbrennungsluft und Brennstoff, bei dem das äußere Rohr von einer feuerfesten Beschichtung umgeben ist, die mittels Ankern auf dem äußeren Rohr befestigt ist, ist aus der US-PS 4 614 159 bekannt.
DE-C-4 405 382 offenbart ein Brennerrohr mit einer feuerfesten Ummantelung, in welche Armierungen eingelegt sind.
Bei Manteldüsen für Drehrohröfen aus einem an seinem freien Ende mit mindestens einer Düsenöffnung versehenen, den Ofenmantel durchdringenden, rohrartigen Hohlkörper ist es gemäß der deutschen Gebrauchsmusterschrift 72 43 054 bekannt, den Hohlkörper mit einer rohrartigen, keramischen Ummantelung in Form eines Hüllrohrs zu versehen, wobei zwischen dem rohrartigen Hohlkörper und dem Hüllrohr Abstandshalter zur Einstellung eines koaxialen Abstandes angeordnet sind.
Derartige Brennerlanzen in Drehrohröfen werden zum Brennen von Zementklinker und Kalk oder zum Brennen und Sintern von Dolomit, Magnesit, Phosphat oder Pigmenten, zum Glühen von Kieselgur und zur thermischen Behandlung sonstiger Rohstoffe eingesetzt. Die in derartigen Drehrohröfen eingesetzten Brennerlanzen unterliegen einer hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung, die am flammenseitigen Ende der Brennerlanze am größten ist. Die Brennerlanzen ragen frei tragend über eine Länge von bis zu derzeit 12 m in den Drehrohrofen hinein und sind einer heißen und chemisch sowie mechanisch aggressiven Atmosphäre ausgesetzt. Zum Schutz der Brennerlanze wird in den konzentrischen Rohren Verbrennungsluft als Kühlluft oder zusätzliche Kühlluft geführt, während das äußere Rohr auf seiner Außenseite mit einer feuerfesten Ummantelung versehen ist, die in der Regel aus einer an Ankern des äußeren Rohres befestigten, feuerfesten Stampfmasse besteht. Wegen der besonders hohen Beanspruchung am flammenseitigen Ende der Brennerlanze wird die feuerfeste Ummantelung in der Regel zum flammenseitigen Ende hin sich konisch verdickend ausgeführt.
Aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem Inneren der Brennerlanze und der Ofenatmosphäre und der Temperaturunterschiede in der Ofenatmosphäre vom Ofenkopf bis hin zum flammenseitigen Ende der Brennerlanze sowie aufgrund der mechanischen und chemischen Beanspruchung der feuerfesten Ummantelung am Ofenkopf, in den die zu brennenden, zu sinternden, zu glühenden oder anderweitig thermisch zu behandelnden Rohstoffe angeführt werden, beginnt die feuerfeste Ummantelung nach kurzer Zeit des Betriebs zu erodieren und aufgrund von Rißbildung abzuplatzen, so daß der Ofenbetrieb unterbrochen werden muß, um die beschädigte Brennerlanze gegen eine neue Brennerlanze auszutauschen.
Selbst wenn ein solcher Austausch nur einige Stunden dauert, ist damit bereits ein erheblicher Verlust verbunden, wenn man in Betracht zieht, daß die größten Drehrohrofenanlagen heutzutage eine Tagesproduktion von bis zu 9.000 t Klinker erreichen können.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, die Brennerlanzen so zu verbessern, daß mit ihnen eine längere Betriebsperiode ohne Unterbrechung des Ofenbetriebes erreichbar ist.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einer Brennerlanze der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß zwischen der feuerfesten Ummantelung und dem äußeren Rohr, dieses mit Abstand umgreifende Ringe oder Segmente angeordnet sind, die radiale Ankerelemente für die feuerfeste Ummantelung aufweisen, wobei in den Raum zwischen den Ringen oder Segmenten und dem äußeren Rohr Radialöffnungen im äußeren Rohr münden, durch die Kühlluft vom Inneren des äußeren Rohrs in den Raum zwischen den Ringen oder Segmenten geführt wird.
Die Ringe bzw. Segmente mit ihren radialen Ankerelementen nehmen eine Temperatur an, die zwischen der des äußeren Rohres und der Außenoberfläche der feuerfesten Ummantelung liegt. Hierdurch ergeben sich geringere Dehnungsunterschiede zwischen den Ringen bzw. Segmenten und der feuerfesten Ummantelung, so daß die Gefahr der Rißbildung und des Abplatzens verringert wird. Des weiteren ist es möglich, den Betrieb nach Abplatzen von Teilen der Ummantelung fortzusetzen, da die gekühlten Ringe bzw. Segmente noch einen ausreichenden Wärmeschutz bilden.
Der Raum zwischen den Ringen oder Segmenten und dem äußeren Rohr dient zur Führung von Kühlluft bis zum flammenseitigen Ende der Brennerlanze hin, wobei die Anzahl der Öffnungen im äußeren Rohr und der Längenbereich, auf dem die Öffnungen angeordnet sind, in Abhängigkeit von der Länge der Brennerlanze und den im Drehrohrofen verarbeiteten Rohstoffen sowie der Ofentemperatur zu bestimmen sind, um einerseits den Durchtritt einer ausreichenden Kühlluftmenge zu gewährleisten, andererseits jedoch die Verluste durch die Kühlluft gering zu halten und die Ringe bzw. Segmente an ihrer Innenseite nicht zu stark abzukühlen.
Um den Wärmeübergang zwischen dem äußeren Rohr und den Ringen bzw. Segmenten so gering wie möglich zu halten, können die Ringe oder Segmente auf ihrer dem äußeren Rohr zugekehrten Innenseite regelmäßig verteilte Vorsprünge als Abstandshalter gegenüber der Außenfläche des Außenrohrs aufweisen, wodurch sich nur eine punktweise Berührung ergibt.
Zur sicheren Halterung der feuerfesten Ummantelung können die Ankerelemente vorzugsweise aus wabenförmig auf den Ringen oder Segmenten angeordneten, sich radial in Richtung der Ummantelung verbreiternden Rippen bestehen. Die feuerfeste Ummantelung kann als Stampfmasse in die Waben eingebracht und mit einer solchen Dicke auftragen werden, daß eine genügende Überdeckung der Rippen erreicht wird. Durch die sich radial verbreiternden Rippen ergeben sich in den Waben Hinterschneidungen, die eine sichere Halterung der feuerfesten Ummantelung gewährleisten.
Vorzugsweise kann die hochtemperaturfeste Gußlegierung einen der feuerfesten Ummantelung entsprechenden Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Um einen sicheren Halt der Ringe auf dem Außenrohr zu gewährleisten, können benachbarte Ringe im Stoßbereich muffenartig ineinandergreifen.
Werden nicht vollständige Ringe, sondern Segmente verwendet, können diese mit dem Außenrohr verschraubt sein und im Stoßbereich ebenfalls muffenartig ineinandergreifen.
An den Ringen oder Segmenten können Ankerstäbe, ggf. zusätzlich zu den Ankerelementen in Form von angegossenen Rippen befestigt, vorzugsweise angeschweißt sein.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennerlanze und
Fig. 2
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennerlanze im Bereich des flammenseitigen Endes.
Fig. 3
eine Detailansicht von wabenartigen Rippen zum Halten einer feuerfesten Ummantelung.
In Fig. 1 und 2 ist eine allgemein mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnete Brennerlanze dargestellt, von der nur ein äußeres Rohr 2, nicht jedoch weitere, konzentrisch darin angeordnete Rohre und auch keine Düsen am flammenseitigen Ende dargestellt sind, da diese Elemente für die Erfindung unwesentlich sind.
Das äußere Rohr 2 wird von Ringen 4 umgriffen, die an ihrer Innenseite Vorsprünge 6 aufweisen, die als Abstandshalter gegenüber der Außenoberfläche des äußeren Rohres 2 dienen, so daß ein Abstand 5 in Form eines freien Raumes gebildet wird, in den Kühlluft durch Radialbohrungen 8 im äußeren Rohr 2 eintreten und zum flammenseitigen Ende der Brennerlanze 1 strömen kann. Aufgrund der Anordnung der Abstandshalter 6 ergibt sich eine ausschließlich punktförmige Berührung zwischen den Ringen 4 und dem äußeren Rohr 2, wodurch der Wärmeübergang durch Leitung zwischen dem äußeren Rohr 2 und den Ringen 4 verringert wird.
In einem Stoßbereich 13 zwischen benachbarten Ringen 4 ist ein muffenartiger Ansatz 12 angeordnet, der einen entsprechenden Bereich des benachbarten Ringes 4 übergreift.
Auf der Außenoberfläche der Ringe 4 sind radiale Ankerelemente 7 in Form von Rippen angeordnet, die wabenartig angeordnet sind und somit zwischen sich Wabenöffnungen 10 bilden. Die Rippen 7 verbreitern sich radial zu einem verbreiterten Kopf 9, so daß die Waben 10 radial nach innen Hinterschneidungen bilden, die für eine in Fig. 1 als Stampfmasse dargestellte feuerfeste Ummantelung 3 einen sicheren Halt gewährleisten.
Die Ringe 4 bestehen vorzugsweise aus einer hochhitzebeständigen Gußlegierung und weisen einen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, der dem der feuerfesten Ummantelung möglichst nahe kommt. Innerhalb der Waben 10 können zusätzliche Ankerstäbe 11 angeordnet sein, die an die Ringe angeschweißt sein können und sich ggf. verzweigen, so daß auch die Randbereiche der feuerfesten Ummantelung 3 sicher gehalten werden.
Je nach Länge der Brennerlanze 1 sowie der Temperatur und der Art der thermisch zu behandelnden Rohstoffe können sich die Ringe 4 und die Radialbohrungen 8 über einen mehr oder weniger großen Längenbereich der Brennerlanze 1, ausgehend vom flammenseitigen Ende erstrecken, wobei die Anzahl und der Durchmesser der Radialbohrungen 8 und die Breite des freien Raums 5 so gewählt werden, daß ohne übergroßen Verlust an Kühlluft die erforderliche Kühlung der Ringe 4 gewährleistet ist.
Statt um das äußere Rohr 2 vollständige Ringe 4 herum zu legen, können diese Ringe auch in Segmente unterteilt sein, die mit dem äußeren Rohr 2 beispielsweise verschraubt werden. Diese Unterteilung kann vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser des äußeren Rohrs 2 der Brennerlanze sehr groß wird.

Claims (8)

  1. Brennerlanze, insbesondere für Drehrohröfen, aus
    mehreren konzentrischen Rohren zur Führung von Kühlluft, Verbrennungsluft und Brennstoff,
    Düsen am flammenseitigen Ende,
    einer feuerfesten Ummantelung (3) des äußeren Rohres (2),
    zwischen der feuerfesten Ummantelung (3) und dem äußeren Rohr (2) angeordneten, das äußere Rohr (2) mit Abstand (5) umgreifenden Ringen (4) oder Segmenten,
    radialen Ankerelementen (7) an den Ringen (4) oder Segmenten für die feuerfeste Ummantelung (3) und
    in den Raum (5) zwischen den Ringen (4) oder Segmenten und dem äußeren Rohr (2) mündenden Radialöffnungen (8) im äußeren Rohr (2) zur Kühlluftzufuhr in den Raum (5).
  2. Brennerlanze nach Anspruch 1, bei der die Ringe (4) oder Segmente auf ihrer dem äußeren Rohr (2) zugekehrten Innenseite regelmäßig verteilte Vorsprünge (6) als Abstandshalter gegenüber der Außenfläche des äußeren Rohrs (2) aufweisen.
  3. Brennerlanze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ankerelemente (7) aus wabenförmig auf den Ringen (4) oder Segmenten angeordneten Rippen (7) bestehen.
  4. Brennerlanze nach Anspruch 3, bei der sich die Rippen (7) radial in Richtung der Ummantelung verbreitern.
  5. Brennerlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der benachbarte Ringe (4) im Stoßbereich (13) muffenartig ineinander greifen.
  6. Brennerlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Ringe (4) oder Segmente aus einer hochtemperaturfesten Gußlegierung bestehen.
  7. Brennerlanze nach Anspruch 6, bei der die Gußlegierung einen der feuerfesten Ummantelung entsprechenden Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist.
  8. Brennerlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der an der Außenoberfläche der Ringe (4) oder Segmente Ankerstäbe (11) befestigt, vorzugsweise angeschweißt sind.
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