EP1340018A1 - Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte brennstoff/sauerstofflanze - Google Patents

Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte brennstoff/sauerstofflanze

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EP1340018A1
EP1340018A1 EP01989520A EP01989520A EP1340018A1 EP 1340018 A1 EP1340018 A1 EP 1340018A1 EP 01989520 A EP01989520 A EP 01989520A EP 01989520 A EP01989520 A EP 01989520A EP 1340018 A1 EP1340018 A1 EP 1340018A1
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EP
European Patent Office
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oxygen
fuel
mixing chamber
combustion
section
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EP01989520A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Koeder
Heinz Franke
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Air Liquide Deutschland GmbH
Messer Group GmbH
Original Assignee
Messer Griesheim GmbH
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Publication date
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/52—Manufacture of steel in electric furnaces
    • C21C5/5211—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace
    • C21C5/5217—Manufacture of steel in electric furnaces in an alternating current [AC] electric arc furnace equipped with burners or devices for injecting gas, i.e. oxygen, or pulverulent materials into the furnace
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C2205/20—Pulsating combustion with pulsating oxidant supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C2900/03005—Burners with an internal combustion chamber, e.g. for obtaining an increased heat release, a high speed jet flame or being used for starting the combustion
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a method and a pulse flow controlled fuel / oxygen lance for the afterburning of products from incomplete combustion.
  • a thermal nozzle combustion process is known from DE 693 14 903 T2.
  • an oxidizing agent with an oxygen concentration of at least 30% at an initial speed of 15.2 to 61 m / s and separately from that is introduced into the thermal nozzle designed as a lance
  • Oxidizing agent Fuel is introduced into an oxidizing agent feed channel at a speed of more than 61 m / s and burns up to about 20% of the oxygen with fuel therein.
  • the combustion reaction products generated during the combustion of the fuel are mixed with the remaining oxygen of the oxidizing agent within the oxidizing agent supply channel and the oxygen stream heated up to 1650 ° C. is injected into the combustion zone at 152 to 610 m / s through an outlet nozzle.
  • This known thermal nozzle combustion process is limited to oxygen supply systems with low source pressure. It is disadvantageous that the oxidant supply channel must be dimensioned very large due to the existing impulse flow ratios between natural gas and oxygen. This results in very high investment costs. In addition, the durability of the oxidant supply channel is low, which can result in high operating costs for maintenance. The availability of the furnace system is reduced and there is a loss of production.
  • No. 5,823,762 describes a system for generating gas jets of different designs.
  • nitrogen, argon or carbon dioxide as the main gas and propane, natural gas and other hydrocarbons as well as a gaseous fuel as well as an oxidizing agent containing oxygen or only consisting of oxygen are introduced into the nozzle in different flow rates / flow rates through channels arranged separately from one another, so that the one generated in the nozzle Gas jet flows out of the nozzle at the speed of sound. Due to the high impulse currents that are generated by the speed of sound of the gas jet, deflections and reflections can occur in certain phases of the production process, which affect the refractory delivery or the can destroy the water-cooled elements of the oven. This results in high operating costs for the repair of the furnace and additional production costs.
  • the object of the invention is therefore to provide a generic
  • Combustion process which allows a more economical and flexible process compared to the prior art by means of an oxidant feed that is flexibly adapted to the requirements. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a generic fuel / oxygen lance which is suitable for such a method.
  • the fuel / oxygen lance is fed a fossil fuel, for example natural gas, through the axial fuel channel via the fuel nozzle arranged with a concentric sleeve at 15-50 m / s into the mixing chamber.
  • a fossil fuel for example natural gas
  • the oxygen flows into the mixing chamber via the oxygen supply through an oxygen channel surrounding the axial fuel channel via the primary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
  • oxygen is introduced into the mixing chamber of the fuel / oxygen lance via the oxygen supply through the oxygen channel surrounding an axial fuel channel via a secondary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
  • the fuel in the mixing chamber is completely burned with the oxygen introduced through the primary cross section.
  • the combustion reaction products generated during the combustion of the fuel heat the oxidizing agent introduced into the mixing chamber to at least 560 ° C.
  • the stoichiometric amount of oxygen required for the combustion of the fuel which corresponds to 8-24 vol.% Of the total oxygen, is introduced into the primary cross section and as the oxidizing agent
  • Oxygen to be introduced into the combustion zone is introduced into the mixing chamber through the secondary cross section at flow velocities of 70 to 200 m / s or 95 to 225 m / s.
  • the secondary cross section has a value that is at least 5.5 times larger than the primary cross section.
  • the oxidizing agent heated to at least 560 ° C. in the mixing chamber of the fuel / oxygen lance by means of the combustion reaction products is passed through the outlet nozzle out of the copper mixing chamber with a Speed of at least Mach 0.8 injected into the combustion zone.
  • the length L of the mixing chamber corresponds to at least 2.5 times the diameter D of the outlet nozzle.
  • the fuel / oxygen lance with water cooling is made of copper in the mixing chamber area, the fuel channel and the oxygen channel are made of stainless steel pipes.
  • the thermal nozzle combustion process used for the afterburning of products from incomplete combustion ensures a substantial improvement in the heat transfer conditions in the combustion zone by means of the oxygen input into the combustion zone which is adapted to the respective process conditions by means of the fuel / oxygen lance according to the invention.
  • a fuel for example natural gas
  • a fuel nozzle 2 concentrically enclosed by a sleeve 5 at 20 to 80 m 3 / h and with a Velocity in the range of 15-50 m / s is introduced into a mixing chamber 8 equipped with an outlet nozzle 9 arranged at the end.
  • the stoichiometric oxygen required to burn the fuel introduced into the mixing chamber 8 is fed to the mixing chamber 8 via an oxygen supply 3 through an oxygen channel 4 surrounding the axial fuel channel 1 via a primary cross section 6 connected to the oxygen channel 4 and the mixing chamber 8.
  • the one in the Mixing chamber 8 as an oxidizing agent for the combustion zone is heated to at least 560 ° C. by the combustion reaction products formed during the combustion of the fuel with the oxygen supplied through the primary cross section 6 and flows through the front-side outlet nozzle 9 of the mixing chamber 8 at a speed of at least 0.8 Get into the combustion zone.
  • the secondary cross section 7 is at least 5.5 times larger than the primary cross section 6.
  • the length L of the copper mixing chamber 8 is at least 2.5 times larger than the diameter D of its outlet nozzle 9.
  • the fuel / oxygen consisting of copper and stainless steel pipes
  • the lance is further equipped with a cooling water tract 10 surrounding the mixing chamber 8 and the oxygen channel 4 with the primary and secondary cross sections 6, 7 and a cooling water supply and cooling water discharge 11, 12.
  • the fuel / oxygen lance according to the invention was successfully tested in an electric arc furnace in a process for the afterburning of products from incomplete combustion.
  • two fuel / oxygen lances were arranged in the area of the hot gas manifold in the furnace wall with an angle of inclination of 30 ° to the horizontal downwards and tangentially into the space between the electrode and the furnace wall, so that the main exhaust gas flow is recorded with a superimposed oxygen flow cover.
  • the fuel / oxygen lances were operated as fuel / oxygen burners in the initial phase of melting down.
  • the combustion output per device was specified in accordance with the scrap ratios between 1.0 and 1.5 MW.
  • the combustion ratio was set between 0.9 and 2.0 depending on the oxygen content in the furnace.
  • the natural gas supply was reduced and oxygen injection rates adjusted to match the oxygen content in the exhaust gas between 5 to 20 m 3 / min, this corresponds to a specific oxygen consumption of 2 to 8 m 3 / tfl.
  • no oxygen was passed through the fuel / oxygen lances.
  • approximately 30 m 3 of natural gas and 60 m 3 of oxygen per hour and fuel / oxygen lance were applied to the fuel / oxygen lances to keep the outlet nozzles 9 free.
  • degrees of afterburning of at least 75% are achieved, with a saving potential of electrical energy per cubic meter of oxygen of at least 4.5 KWh being achieved.
  • the kinetic energy of the oxygen jet can be adapted to the process sequence by varying the proportion of fuel

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung. Erfindungsgemäss wird in der Mischkammer (8) der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze als Oxidationsmittel eingebrachter Sauerstoff durch die in der Mischkammer (8) bei der Verbrennung von Brennstoff erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560 DEG C erwärmt und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone eingedüst. Das erfindungsgemässe thermische Düsenverbrennungsverfahren gewährleistet bei der Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse in der Verbrennungszone durch einen den jeweiligen Prozessbedingungen angepassten, impulsstromgesteuerten Sauerstoffeintrag bei einem niedrigen spezifischen Sauerstoff-Verbrauch.

Description

Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff- Lanze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung.
Ein thermisches Dusenverbrennungsverfahren ist aus der DE 693 14 903 T2 bekannt. Bei diesem Verfahren wird in die als Lanze ausgebildeten thermischen Düse ein Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30% mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 15,2 bis 61 m/s und separat von dem
Oxidationsmittel Brennstoff mit einer Geschwindigkeit von mehr als 61 m/s in einen Oxidationsmittelzufuhrkanal eingebracht und in diesem bis zu etwa 20% des Sauerstoffs mit Brennstoff verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte werden mit dem verbleibenden Sauerstoff des Oxidationsmittels innerhalb des Oxidationsmittelzufuhrkanals gemischt und der bis auf 1650 ° C erwärmte Sauerstoffstrom mit 152 bis 610 m/s durch eine Auslaßdüse in die Verbrennungszone eingedust. Dieses bekannte thermische Dusenverbrennungsverfahren beschränkt sich auf Sauerstoff-Versorgungssysteme mit niedrigem Quellendruck. Nachteilig ist, daß der Oxidationsmittelzufuhrkanal aufgrund der vorhandenen Impulsstromverhältnisse zwischen Erdgas und Sauerstoff sehr groß dimensioniert werden muß. Daraus resultieren sehr hohe Investkosten. Zudem ist die Haltbarkeit des Oxidationsmittelzufuhrkanals gering, wodurch hohe Betriebskosten für die Instandhaltung entstehen können. Die Verfügbarkeit der Ofenanlage verringert sich und es kommt zu Produktionsverlusten.
In US 5,823,762 ist ein System zur Erzeugung von Gasstrahlen unterschiedlicher Ausbildung beschrieben. Dazu wird als Hauptgas Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid und als gasförmiger Brennstoff Propan, Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe sowie ein sauerstoffhaltiges oder nur aus Sauerstoff bestehendes Oxidationsmittel in unterschiedlichen Mengenströmen/Strömungsgeschwindigkeiten durch getrennt voneinander angeordneten Kanälen in die Düse eingebracht, so dass der in der Düse erzeugte Gasstrahl mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse ausströmt. Aufgrund der hohen Impulsströme, die durch die Schallgeschwindigkeit des Gasstrahles erzeugt werden, kann es in bestimmten Phasen des Produktionsablaufes zu Ablenkungen und Reflexionen kommen, welche die feuerfeste Zustellung bzw. die wassergekühlten Elemente des Ofens zerstören können. Dadurch entstehen hohe Betriebskosten für die Instandsetzung des Ofens und zusätzliche Produktionskosten.
Ein weiteres Verbrennungsverfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes ist durch DE 195 21 518 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels einer Keramikdüse oder einer wassergekühlten Düse ein sauerstoffhaltiger Heißluftstrahl bzw. nur Sauerstoff mit mindestens 500°C und mit mindestens 300 m/s mit oder ohne fossilen Brennstoffzusatz in das in einer Verbrennungszone zu schmelzende Schrotthaufwerk eingetragen. Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren ergibt sich ein großer apparativer Aufwand für die Erzeugung der Heißluft über sogenannte Pebble-Heater verbunden mit hohen Investitionskosten. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Heißwinddüsen einen großen Durchmesser aufweisen. Zum Freihalten der Düsen sind große Schutzgasmengen in Form von Sauerstoff oder Luft erforderlich. Wird Sauerstoff als Schutzgas verwendet, entstehen hohe Betriebskosten. Beim Einsatz von Luft als Schutzgas zum Freihalten der Düsen kommt es neben zusätzlichen Kosten für die Regel- und Sicherheitstechnik aufgrund der hohen Luftdurchsätze zu wärmetechnischen Verlusten im Ofen, die einen höheren Energieverbrauch zur Folge haben.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass diese bekannten thermischen Dusenverbrennungsverfahren die gestellten Forderungen in Bezug auf niedrige Betriebskosten für die Schutzgasmengen zum Freihalten der Düsen und hohe thermischen Wirkungsgrade für die Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung nur teilweise erfüllen, also nur in begrenzten Bereichen ökonomisch sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gattungsmäßigen
Verbrennungsverfahrens, das durch einen flexibel an die Erfordernisse angepaßten Oxidationsmittel-Eintrag ein im Vergleich zum Stand der Technik ökonomischeres und flexibleres Verfahren ermöglicht. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze anzugeben, welche für ein derartiges Verfahren geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff- Lanze zur Nachverbrennung von unvollständig verbrannten Produkten sind durch die Merkmale von Anspruch 1 und 7 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ein fossiler Brennstoff, beispielsweise Erdgas, durch den axialen Brennstoffkanal über die mit einer konzentrischen Hülse angeordnete Brennstoffdüse mit 15 - 50 m/s in die Mischkammer zugeführt.
Zur Verbrennung des in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze vorliegenden Brennstoffs strömt der Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch einen den axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über den mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Primärquerschnitt in die Mischkammer ein.
Als Oxidationsmittel zur Verbrennung in der Verbrennungszone wird Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch den einen axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über einen mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Sekundärquerschnitt in die Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze eingebracht.
Der in der Mischkammer vorliegende Brennstoff wird mit dem über den Primärquer- schnitt eingebrachten Sauerstoff vollständig verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte erwärmen das in der Mischkammer eingebrachte Oxidationsmittel auf mindestens 560°C.
Erfindungsgemäß wird die zur Verbrennung des Brennstoffes benötigte stöchiometrische Sauerstoffmenge, welche 8 - 24 Vol.-% des gesamten Sauerstoffs entspricht, über den Primärquerschnitt und der als Oxidationsmittel in die
Verbrennungszone einzubringende Sauerstoff durch den Sekundärquerschnitt mit Strömungsgeschwindigkeiten von 70 bis 200 m/s bzw. 95 bis 225 m/s in die Mischkammer eingetragen.
Dazu weist der Sekundärquerschnitt einen mindestens 5,5-fach größeren Wert als der Primärquerschnitt auf.
Das in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze mittels der Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmte Oxidationsmittel wird durch die Austrittsdüse aus der aus Kupfer bestehenden Mischkammer mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone eingedust.
Die Länge L der Mischkammer entspricht mindestens dem 2,5-fachen des Durchmessers D der Austrittsdüse.
Das impulsstromgesteuerte Eindüsen des Verbrennungs- und Oxidationsmittel- Gemisches in die Verbrennungszone erfolgt analog des in der Patentanmeldung 199 54 556 beschriebenen Verfahrens.
Die mit einer Wasserkühlung versehene Brennstoff/Sauerstoff-Lanze besteht im Mischkammerbereich aus Kupfer, der Brennstoffkanal und der Sauerstoffkanal aus Edelstahlrohren.
Das zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung eingesetzte thermische Dusenverbrennungsverfahren gewährleistet eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse in der Verbrennungszone durch den mittels der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze entsprechend den jeweiligen Prozessbedingungen angepassten Sauerstoffeintrag in die Verbrennungszone.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In die schematisch dargestellte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zum impulsstromgesteuerten Eindüsen von Sauerstoff in eine Verbrennungszone wird ein Brennstoff, beispielsweise Erdgas, durch einen axialen Brennstoffkanal 1 über eine von einer Hülse 5 konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse 2 mit 20 bis 80 m3/h und mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15 - 50 m/s in eine mit einer stirnseitig angeordneten Austrittsdüse 9 ausgerüsteten Mischkammer 8 eingebracht. Der zum Verbrennen des in die Mischkammer 8 eingebrachten Brennstoffs benötigte stöchiometrische Sauerstoff wird über eine Sauerstoffzuführung 3 durch einen den axialen Brennstoffkanal 1 umschließenden Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Primärquerschnitt 6 der Mischkammer 8 zugeführt. Die als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone einzubringende Sauerstoffmenge strömt über die Sauerstoffzuführung 3 durch den Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Sekundärquerschnitt 7 mit 300 bis 900 m3/h und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Mischkammer 8 ein. Der in die Mischkammer 8 als Oxidationsmittel für die Verbrennungszone eingeströmte Sauerstoff wird durch die bei der Verbrennung des Brennstoffs mit dem durch den Primärquerschnitt 6 zugeführten Sauerstoff entstandenen Verbrennungs- reaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmt und strömt durch die stirnseitige Austrittsdüse 9 der Mischkammer 8 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone ein. Der Sekundärquerschnitt 7 ist mindestens 5,5- fach größer als der Primärquerschnitt 6. Die Länge L der aus Kupfer bestehenden Mischkammer 8 ist mindestens 2,5-fach größer als der Durchmesser D ihrer Austrittsdüse 9. Die aus Kupfer und Edelstahlrohren bestehende Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ist des Weiteren mit einem die Mischkammer 8 und den Sauerstoffkanal 4 mit dem Primär- und Sekundärquerschnitt 6, 7 umschließenden Kühlwassertrakt 10 und einer Kühlwasserzu- und Kühlwasserabführung 11 , 12 ausgerüstet.
Die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze wurde in einem Lichtbogenofen, bei einem Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung, erfolgreich erprobt.
Dazu wurden zwei Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen im Bereich des Heißgaskrümmers in der Ofenwand mit einem Neigungswinkel von 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen der Elektrode und der Ofenwand angeordnet, so dass die Hauptabgasströmung mit überlagerter Sauerstoff-Strömungsabdeckung erfasst wird. Die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen wurden in der Anfangsphase des Einschmelzens als Brennstoff/Sauerstoff-Brenner betrieben. Die Verbrennungsleistung je Vorrichtung wurde entsprechend den Schrottverhältnissen zwischen 1 ,0 bis 1 ,5 MW vorgegeben. Das Verbrennungsverhältnis wurde in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Ofen zwischen 0,9 und 2,0 eingestellt. Nach Einsturz der Schrottsäule wurde die Erdgaszufuhr reduziert und Sauerstoff- Einblasraten in Anpassung an den Sauerstoffgehalt im Abgas zwischen 5 bis 20 m3/min eingestellt, dieses entspricht einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2 bis 8 m3/tfl. In Schmelzphasen, in denen sich keine unverbrannten Komponenten im Abgas befanden, wurde kein Sauerstoff über die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen geleitet. In diesen Phasen wurden die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen zum Freihalten der Austrittsdüsen 9 mit ca. 30 m3 Erdgas und mit 60 m3 Sauerstoff pro Stunde und Brennstoff/Sauerstoff-Lanze beaufschlagt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung werden Nachverbrennungsgrade von mindestens 75% erzielt, wobei ein Einsparpotential an elektrischer Energie pro Kubikmeter Sauerstoff von mindestens 4, 5 KWh erreicht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren bei Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze werden gegenüber den bekannten Verbrennungsverfahren/-Ianzen folgende Vorteile erzielt:
- zusätzliche Einsparung an elektrischer Energie durch höhere Nachverbrennungsgrade
- Einsparung von Schutzgasmengen zum Freihalten der Austrittsdüse und damit Senkung der Betriebskosten
- Konstante Leistungsdaten des Lichtbogenofens, da die Austrittsdüse der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nicht verunreinigt wird und somit konstante Strömungsverhältnisse während der Ofenreise erreicht werden
- Durch Variation des Brennstoffanteiles ist die kinetische Energie des Sauerstoffstrahles dem Prozeßablauf anpaßbar
- Erhöhung der Anlagensicherheit, da Verpuffungen und Explosionen im Abgastrakt vermieden werden
- Erzeugung hoher Impulsströme bei niedrigen spezifischem Sauerstoff-Verbrauch
- Verbesserung des Wärmeüberganges in der Verbrennungszone durch Strahlung, Konvektion und Gasstrahlung (Kohlendioxid und Wasser)
- Verbesserung des metallischen Ausbringens durch Verringerung des Staubaustrages
- Leistungssteigerung des Lichtbogenofens durch Reduzierung der Power-on-Zeiten.

Claims

- Patentansprüche
1. Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung in einer Verbrennungszone, bei welchem: a) Brennstoff über einen Brennstoffkanal (1) durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) in eine mit einer stirnseitigen Austrittsdüse (9) versehenen Mischkammer (8) einströmt; b) Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases über eine Sauerstoffzuführung (3) durch einen den axialen Brennstoffkanal (1 ) umschließenden Sauerstoff- kanal (4) über einen Primärquerschnitt (6) und c) Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Verbrennung in der Verbrennungszone über die Sauerstoffzuführung (3) durch den Sauerstoffkanal (4) über einen Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) einströmt; d) der gemäß Schritt a) in die Mischkammer (8) eingebrachte Brennstoff mit dem gemäß Schritt b) über den Primärquerschnitt (6) in die Mischkammer (8) eingeströmten Sauerstoff vollständig verbrannt und e) der gemäß Schritt (c) über den Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) eingeströmte Sauerstoff mit den bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukten gemischt und f) das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit
Unter- oder Überschallgeschwindigkeit in die Verbrennungszone eingedust wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbrennung des in der Mischkammer (8) vorliegenden Brennstoffs 8 - 24% der in der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze eingesetzten Sauerstoffmenge durch den Primärquerschnitt (6) in die
Mischkammer (8) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch den Sekundärquerschnitt (7) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Misch- kammer (8) einströmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch die Brennstoffdüse (2) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15 - 50 m/s in die Mischkammer (8) einströmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel in der Mischkammer (8) auf mindestens 560°C erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone eingetragen wird.
7. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend im wesentlich aus a) einem axialen Brennstoffkanal (1 ), welcher durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) mit einer eine stirnseitige Austrittsdüse (9) aufweisenden Mischkammer (8) verbunden ist, b) einem den axialen Brennstoffkanal (1 ) umschließenden, mit einer Sauerstoffzuführung (3) versehenen und durch einen Primär- und Sekundär-Sauerstoff- querschnitt (6, 7) mit der Mischkammer (8) verbundenen Sauerstoffkanal (4), c) einem den Sauerstoffkanal (4) mit dem Primär- und Sekundärquerschnitt (6, 7) und die Mischkammer (8) umschließenden Kühlwassertrakt (10) und einer Kühlwasserzu-Aabführung (11 , 12).
8. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärquerschnitt (7) mindestens 5,5-fach größer ist als der Primärquerschnitt (6).
9. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Mischkammer (8) mindestens
2,5-fach größer ist als der Durchmesser (D) der Austrittsdüse (9).
10. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mindestens eine Austrittsöffnung aufweist.
1. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8) der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
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