EP1407187A1 - Method for atomizing and burning fuels by means of oxygen, and burner used in said method - Google Patents

Method for atomizing and burning fuels by means of oxygen, and burner used in said method

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EP1407187A1
EP1407187A1 EP02748823A EP02748823A EP1407187A1 EP 1407187 A1 EP1407187 A1 EP 1407187A1 EP 02748823 A EP02748823 A EP 02748823A EP 02748823 A EP02748823 A EP 02748823A EP 1407187 A1 EP1407187 A1 EP 1407187A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
fuel
burner
atomization chamber
atomization
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02748823A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Bosch
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Air Liquide Deutschland GmbH
Original Assignee
Messer Griesheim GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23G5/20—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having rotating or oscillating drums
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/10—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour
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    • F23D11/102—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber
    • F23D11/103—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space the spraying being induced by a gaseous medium, e.g. water vapour medium and fuel meeting before the burner outlet in an internal mixing chamber with means creating a swirl inside the mixing chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the invention relates to a method for burning liquid and / or solid fuels, in which the fuel is atomized, mixed with oxygen or an oxygen-rich gas and the oxygen-fuel mixture is burned.
  • waste materials are often very inhomogeneous and show considerable fluctuations in their important parameters for combustion, such as viscosity and calorific value.
  • a waste oil called "Synfuel” is used as an additional fuel in rotary cement kilns that contains solids up to 6 mm in diameter and has an undetermined calorific value between 20 and 28 kJ / g.
  • the use of these waste materials in cement rotary kilns means that the ignition conditions are not continuously met at higher throughputs and the flame thus becomes unstable. Since the process of cement production requires a defined temperature profile, the proportion of these waste materials in the fuel must be limited to less than 30% in order to ensure sufficient stability of the flame.
  • Nozzle geometry takes place.
  • An external mixing burner is previously known, for example, from EP 0 877 202 A2.
  • the burner described there has a conically widening outer section, in which a fuel feed line is arranged centrally and oxygen feeds are arranged concentrically to it at uniform angular intervals.
  • the oxygen feeds bring in oxygen at high pressure and atomizes the fuel that is also expelled from the central mouth opening at high pressure.
  • the resulting fuel-oxygen mixture burns after ignition in a flame located in front of the outer section of the burner.
  • the object of the present invention is therefore to ensure efficient combustion of fuels mixed with combustible waste materials and to minimize oxygen consumption in the process.
  • the atomization is thus carried out by exposing fuel to oxygen or an oxygen-rich gas within a largely closed atomization chamber.
  • a gas mixture is said to be an "oxygen-rich gas" are referred to, which contains oxygen as the predominant constituent, but at least has an oxygen content which is significantly higher than the oxygen content of the air (21%).
  • oxygen is injected, turbulent flows occur in the interior of the atomization chamber, as a result of which fuel and oxygen are subjected to constant impacts against one another.
  • the fuel is atomized into small fuel particles.
  • the resulting mixture of fuel particles and oxygen is fed to a burner nozzle and ignited at a rate which is equal to or higher than the flame rate of the mixture.
  • the oxygen is expediently introduced into the atomization chamber at a pressure of 3 to 5 bar.
  • the method according to the invention is preferably used in the combustion of waste oil which is mixed with the actual fuel as an additional fuel. Due to the efficient atomization of the fuel mixture in the atomization chamber and the more favorable ignition conditions of a fuel-oxygen mixture compared to a fuel-air mixture, the proportion of waste oil in the fuel can be increased to 50-70% and thus doubled.
  • the atomization chamber is expediently flushed with an inert gas, for example nitrogen, before and after use of the burner, in order to prevent any flashback or spontaneous ignition of fuel remaining in the atomization chamber.
  • an inert gas for example nitrogen
  • the object of the invention is also achieved by a burner with the features of claim 5.
  • a burner in particular an oxygen burner, opens into one
  • a so-called internal-mixing burner is used.
  • the invention makes use of the surprising finding that already when the fuel is mixed on the surface of the atomized fuel particles, strongly exothermic oxidation processes start, which lead to an increase in volume and thus to an increase in the pressure of the mixture.
  • the pressure generated by the fuel-oxygen mixture inside the atomization chamber is so high that the speed of the mixture expelled at the mouth of the burner nozzle is equal to or higher than the maximum flame speed of the fuel-oxygen mixture.
  • Baffles which promote the atomization process, but which at the same time increase the duration of the mixture inside the combustion chamber, such as a conical shape of the atomization chamber on the mouth side or deflectors arranged inside the atomization chamber, therefore impair the functionality of the burner according to the invention and even endanger it.
  • the geometry of the burner is expediently designed such that the fuel supply opens concentrically into the atomization chamber and that the flow connection of the atomization chamber with the oxygen supply is ensured via inlet bores extending in the cylindrical jacket-shaped inner wall of the atomization chamber.
  • the inlet bores run in the wall of the atomization chamber.
  • Atomization chamber with a tangential directional component. This creates a circular flow inside the atomization chamber.
  • a further preferred embodiment of the invention provides for an axially inclined profile of the inlet bores in the wall of the atomization chamber, the axial inclination being directed from the oxygen supply to the mouth opening of the atomization chamber.
  • a rotary cement kiln is advantageously equipped with a burner according to the invention, which is operated according to the method according to the invention. The burner thus enables significant savings in oxygen and a considerable increase in the proportion of waste oil in the fuel. This significantly reduces the cost of cement production. In cement production, the possibility of increasing the proportion of waste oil in the fuel has proven to be particularly advantageous.
  • the burner 1 shown is a mixed burner in which solid, liquid or gaseous fuels or mixtures thereof can be used.
  • the burner 1 has a fuel feed 2, a mixing chamber insert 3 and a burner nozzle 4, as seen in the flow direction.
  • the mixing chamber insert 3, which is likewise made of metal, for example steel, is screwed into the fuel feed 2, which is designed as a metal tube, with a connecting section 6.
  • the inner diameter of the connecting section 6 corresponds to that of the fuel feed 2, so that a free flow is guaranteed.
  • a deflector in this area is not provided.
  • the lumen of the mixing chamber insert 3 widens conically to form a cylindrical atomization region 7, in the wall 6 of which essentially radial inlet bores 8 for oxygen, which are described in more detail below, are arranged.
  • a mouth section 9 adjoins the atomization region 7 in the axial direction.
  • the mouth section 9 is also essentially cylindrical, but a slight conical shape of the mouth section 9 is still to be regarded as within the scope of the invention.
  • the burner nozzle 4 is placed on the mouth section 9 of the mixing chamber insert 3, between the front surface of the mouth section 9 and a Ring shoulder 11 of the burner nozzle 4, a metal seal 12 is provided.
  • the inside of the burner nozzle 4 has a cylindrical outlet section 14, the inside diameter of which essentially corresponds to that of the mouth section 9 and which is followed by a diffuser 15 with a nozzle opening 16 which widens conically outwards.
  • the length of the outlet section and the opening angle of the nozzle opening 16 are adapted to the expected jet formation.
  • the burner nozzle 3 On its section opposite the diffuser 15, the burner nozzle 3 extends with a hollow cylindrical rear section 17 concentrically over the mixing chamber insert 3 and the fuel supply 2, an annular gap 18 being kept open.
  • the annular gap 18, which is closed toward the nozzle opening 16, is in flow connection via the inlet bores 8 with the atomization area 7 of the mixing chamber insert 3 and serves to supply oxygen to the atomization area 7 in the manner described in more detail below.
  • fuel for example coal, oil or gas
  • an additional fuel such as waste oil or another waste material
  • oxygen or an oxygen-rich gas flows with a pressure of 3 to 5 bar through the annular gap 18 and the inlet openings 8 into the atomization area 7.
  • oxygen-enriched air flows with a pressure of 3 to 5 bar through the annular gap 18 and the inlet openings 8 into the atomization area 7.
  • oxygen-enriched air flows with a pressure of 3 to 5 bar through the annular gap 18 and the inlet openings 8 into the atomization area 7.
  • oxygen-rich gas such as oxygen-enriched air
  • the inlet bores 8, which in the exemplary embodiment run radially in the wall 6 of the atomization region 7, can have a tangential directional component or can extend axially inclined inwards towards the mouth section 9.
  • the fuel particles are mixed with oxygen within the atomization area 7, the mouth section 9 and the outlet section 14.
  • the fuel-oxygen mixture is expelled from the nozzle opening 16 at high speed and ignited in the area in front of the nozzle opening 16 by means of an ignition mechanism, not shown here. Strongly exothermic combustion reactions on the surface of the fuel particles that start during the atomization or mixing and that lead to heating and thus to an expansion of the volume of the mixture increase the speed at which the fuel-oxygen mixture emerges from the nozzle opening 16.
  • the speed of the oxygen-fuel mixture in the region of the nozzle opening 16 must not fall below the flame speed of the mixture in order to prevent damage to the nozzle and to ensure that the flame is always in the area in front of the nozzle opening 16.
  • the outflow speed at the nozzle opening 16 is typically between 80 and 120 m / s. By regulating the oxygen supply, not shown here, the outflow speed can be adapted to the respective fuel. In order to avoid possible flashbacks, the burner 1 should be flushed with an inert gas, for example nitrogen, when starting and stopping.
  • an inert gas for example nitrogen
  • the burner 1 is preferably used for installation in a rotary cement kiln, but is not limited to this application. It enables the efficient combustion of a fuel mixture with a stable flame, which has a proportion of additional fuels of 50 to 70%, or an entry rate of additional fuels of 2 to 5 t / h.

Abstract

Liquid and/or solid fuels are conventionally burnt, especially in cement rotary kilns, using oxygen lances and external mixing-type burners in which oxygen is added to the fuel upstream of the actual nozzle to burn. A disadvantage of such burners is their high oxygen requirement. According to the inventive method, an internal mixing-type burner is operated with oxygen. The method is further characterized in that the fuel is atomized with oxygen in a mixing chamber and is thoroughly mixed. A high ejection speed of the highly combustible fuel-oxygen mixture prevents the burner from being damaged. Combustion proceeds in a substantially more efficient manner than according to known methods. Especially, the burner of a cement rotary kiln can be operated with a substantially increased share in waste oil.

Description

Verfahren zum Zerstäuben und Verbrennen von Brennstoffen mitteis Process for atomizing and burning fuels medium
Sauerstoff und Brenner hierzuOxygen and burner for this
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder festen Brennstoffen bei dem der Brennstoff zerstäubt, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas vermischt und das Sauerstoff-Brennstoff-Gemisch verbrannt wird.The invention relates to a method for burning liquid and / or solid fuels, in which the fuel is atomized, mixed with oxygen or an oxygen-rich gas and the oxygen-fuel mixture is burned.
Bei der Zementproduktion werden den in Drehrohröfen eingesetzten eigentlichen Brennstoffen, wie Steinkohle, Braunkohle, Öl oder Erdgas, Abfallstoffe als Zusatzbrennstoffe, beispielsweise Altöle beigemischt. Diese Abfallstoffe sind häufig sehr inhomogen und weisen in ihren für die Verbrennung wichtigen Parametern, wie Viskosität und Heizwert, beträchtliche Schwankungen auf. So wird beispielsweise in den USA ein als "Synfuel" bezeichnetes Abfallöl als Zusatzbrennstoff in Zementdrehrohröfen eingesetzt, das Festkörper bis zu 6 mm Durchmesser enthält und einen unbestimmten Heizwert zwischen 20 und 28 kJ/g aufweist. Der Einsatz dieser Abfallstoffe in Zementdrehrohöfen hat die Folge, dass bei höheren Durchsätzen die Zündbedingungen nicht ununterbrochen erfüllt sind und somit die Flamme instabil wird. Da der Prozess der Zementherstellung einen definierten Temperaturverlauf erfordert, muss der Anteil dieser Abfallstoffe im Brennstoff auf unter 30% begrenzt werden, um eine hinreichende Stabilität der Flamme zu gewährleisten.In cement production, the actual fuels used in rotary kilns, such as hard coal, lignite, oil or natural gas, are mixed with waste materials as additional fuels, for example waste oils. These waste materials are often very inhomogeneous and show considerable fluctuations in their important parameters for combustion, such as viscosity and calorific value. In the USA, for example, a waste oil called "Synfuel" is used as an additional fuel in rotary cement kilns that contains solids up to 6 mm in diameter and has an undetermined calorific value between 20 and 28 kJ / g. The use of these waste materials in cement rotary kilns means that the ignition conditions are not continuously met at higher throughputs and the flame thus becomes unstable. Since the process of cement production requires a defined temperature profile, the proportion of these waste materials in the fuel must be limited to less than 30% in order to ensure sufficient stability of the flame.
Zur Verbrennung derartiger Abfallstoffe kommen teilweise innenmischende Brenner zum Einsatz, bei denen der Brennstoff in einer Zerstäubungskammer mit Luft vermischt, zerstäubt und das Brennstoff-Luft-Gemisch anschließend verbrannt wird. Um die Zündbedingung auch beim Einsatz von relativ schlecht brennbaren Stoffen, wie etwa Altöl, ununterbrochen aufrecht erhalten zu können, muss eine optimale Durchmischung und Zerstäubung des Brennstoffs gewährleistet werden. Dies erfolgt bei den innenmischenden Brennern nach dem Stande der Technik durch eine konische Zuformung der Ausgangsmündung der Zerstäubungskammer oder, wie beispielsweise bei dem in der US 40 11 995 beschriebenen Brenner, durch einen innerhalb der Zerstäubungskammer angeordneten Deflektor, auf den der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit aufprallt und dabei zerstäubt wird. Die Einhaltung der Zündbedingungen könnte zwar dadurch verstetigt werden, dass anstelle von Luft Sauerstoff eingesetzt wird; Sauerstoff erhöht den feuerungstechnischen Wirkungsgrad und ermöglicht dadurch eine Leistungssteigerung der Verbrennungsanlage. Es besteht dabei jedoch die Gefahr, dass das hochentzündliche Öl-Sauerstoff-Gemisch bereits in derInternal burners are sometimes used to burn such waste materials, in which the fuel is mixed with air in an atomization chamber, atomized and the fuel-air mixture is then burned. In order to be able to continuously maintain the ignition condition even when using relatively poorly flammable substances, such as waste oil, an optimal mixing and atomization of the fuel must be guaranteed. This takes place in the case of the internally mixing burners according to the prior art by conically shaping the outlet mouth of the atomization chamber or, as for example in the case of the burner described in US Pat and atomized in the process. Adherence to the ignition conditions could indeed be stabilized by using oxygen instead of air; Oxygen increases the efficiency of the combustion technology and thereby enables an increase in the performance of the incineration plant. However, there is a risk that the highly flammable oil-oxygen mixture is already in the
Zerstäubungskammer zünden und so den Brenner zerstören kann. Aus diesem Grunde wurden innenmischende Brenner bislang nicht mit reinem Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas betrieben. Stattdessen wurden Sauerstofflanzen und außenmischende Brenner entwickelt, bei denen die Zerstäubung des Brennstoffs und seine Durchmischung mit Sauerstoff außerhalb der eigentlichenIgnite atomization chamber and can destroy the burner. For this reason, internal mixing burners have never been operated with pure oxygen or an oxygen-rich gas. Instead, oxygen lances and external mixing burners were developed in which the atomization of the fuel and its mixing with oxygen outside the actual one
Düsengeometrie erfolgt. Ein außenmischender Brenner ist beispielsweise aus der EP 0 877 202 A2 vorbekannt. Der dort beschriebene Brenner weist einen konisch sich erweiternden Außenabschnitt auf, in dem zentral eine Brennstoffzufuhrleitung und konzentrisch dazu in gleichmäßigen Winkelabständen Sauerstoffzuführungen angeordnet sind. Durch die Sauerstoffzuführungen wird Sauerstoff mit hohem Druck herangeführt und zerstäubt den aus der zentralem Mündungsöffnung gleichfalls mit hohem Druck ausgestoßenen Brennstoff. Das dabei entstehende Brennstoff- Sauerstoff-Gemisch brennt nach Zündung in einer vor dem Außenabschnitt des Brenners gelegenen Flamme ab.Nozzle geometry takes place. An external mixing burner is previously known, for example, from EP 0 877 202 A2. The burner described there has a conically widening outer section, in which a fuel feed line is arranged centrally and oxygen feeds are arranged concentrically to it at uniform angular intervals. The oxygen feeds bring in oxygen at high pressure and atomizes the fuel that is also expelled from the central mouth opening at high pressure. The resulting fuel-oxygen mixture burns after ignition in a flame located in front of the outer section of the burner.
Mit den vorgenannten außenmischenden Brennersystemen können auch mäßig brennbare Abfallstoffe, wie Altöle, zuverlässig abgebrannt werden; nachteilig ist jedoch ihr hoher Sauerstoffbedarf.With the aforementioned external mixing burner systems, even moderately combustible waste materials, such as waste oils, can be reliably burned off; however, their high oxygen requirement is disadvantageous.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine effiziente Verbrennung von mit brennbaren Abfallstoffen vermischten Brennstoffen zu gewährleisten und dabei den Sauerstoffverbrauch zu minimieren.The object of the present invention is therefore to ensure efficient combustion of fuels mixed with combustible waste materials and to minimize oxygen consumption in the process.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.
Die Zerstäubung erfolgt also durch Beaufschlagen von Brennstoff mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas innerhalb einer weitgehend geschlossenen Zerstäubungskammer. Als "sauerstoffreiches Gas" soll hier ein Gasgemisch bezeichnet werden, das Sauerstoff als überwiegenden Bestandteil enthält, zumindest jedoch einen Sauerstoffanteil besitzt, der wesentlich höher als der Sauerstoffanteil der Luft (21%) ist. Beim Eindüsen des Sauerstoffs entstehen turbulente Strömungen im Innern der Zerstäubungskammer, aufgrund derer Brennstoff und Sauerstoff fortwährenden Stößen gegeneinander ausgesetzt sind. Dabei wird der Brennstoff zu kleinen Brennstoffteilchen zerstäubt. Das so entstehende Gemisch aus Brennstoffteilchen und Sauerstoff wird mit einer Geschwindigkeit, die gleich oder höher als die Flammgeschwindigkeit des Gemisches ist, einer Brennerdüse zugeleitet und gezündet.The atomization is thus carried out by exposing fuel to oxygen or an oxygen-rich gas within a largely closed atomization chamber. A gas mixture is said to be an "oxygen-rich gas" are referred to, which contains oxygen as the predominant constituent, but at least has an oxygen content which is significantly higher than the oxygen content of the air (21%). When the oxygen is injected, turbulent flows occur in the interior of the atomization chamber, as a result of which fuel and oxygen are subjected to constant impacts against one another. The fuel is atomized into small fuel particles. The resulting mixture of fuel particles and oxygen is fed to a burner nozzle and ignited at a rate which is equal to or higher than the flame rate of the mixture.
Um eine besonders effiziente Verbrennung zu erzielen, wird der Sauerstoff zweckmäßigerweise mit einem Druck von 3 bis 5 bar in die Zerstäubungskammer eingeleitet.In order to achieve a particularly efficient combustion, the oxygen is expediently introduced into the atomization chamber at a pressure of 3 to 5 bar.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Verbrennung von Abfallöl eingesetzt, das als Zusatzbrennstoff dem eigentlichen Brennstoff beigemischt ist. Durch die leistungsfähige Zerstäubung des Brennstoffgemischs in der Zerstäubungskammer und die günstigeren Zündbedingungen eines Brennstoff- Sauerstoff-Gemisches gegenüber eines Brennstoff-Luft-Gemisches kann der Anteil an Abfallöl im Brennstoff auf 50-70% gesteigert und damit verdoppelt werden.The method according to the invention is preferably used in the combustion of waste oil which is mixed with the actual fuel as an additional fuel. Due to the efficient atomization of the fuel mixture in the atomization chamber and the more favorable ignition conditions of a fuel-oxygen mixture compared to a fuel-air mixture, the proportion of waste oil in the fuel can be increased to 50-70% and thus doubled.
Zweckmäßigerweise wird die Zerstäubungskammer vor und nach dem Einsatz des Brenners mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, gespült, um einen eventuellen Flammenrückschlag oder eine spontane Entzündung von in der Zerstäubungskammer verbliebenem Brennstoff zu verhindern.The atomization chamber is expediently flushed with an inert gas, for example nitrogen, before and after use of the burner, in order to prevent any flashback or spontaneous ignition of fuel remaining in the atomization chamber.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch einen Brenner mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.The object of the invention is also achieved by a burner with the features of claim 5.
Dabei münden bei einem Brenner, insbesondere einem Sauerstoffbrenner, eineA burner, in particular an oxygen burner, opens into one
Brennstoffzuführung und eine Sauerstoffzuführung in eine Zerstäubungskammer, die mit einer Brennerdüse strömungsverbunden ist, ein, wobei die Zerstäubungskammer als ein im wesentlichen zylinderförmiger, frei durchströmbarer Hohlkörper ausgebildet ist. Erfindungsgemäß kommt also ein sogenannter innenmischender Brenner zum Einsatz. Die Erfindung macht dabei von der überraschenden Erkenntnis Gebrauch, dass bereits bei der Durchmischung des Brennstoffes an der Oberfläche der zerstäubten Brennstoffteilchen stark exotherme Oxidationsprozesse einsetzen, die zu einer Volumenvergrößerung und damit zu einer Druckerhöhung des Gemisches führen. Der durch das Brennstoff - Sauerstoffgemisch im Innern der Zerstäubungskammer erzeugte Druck ist so hoch, dass die Geschwindigkeit des an der Mündung der Brennerdüse ausgestoßenen Gemisches gleich oder höher als die maximale Flammengeschwindigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches ist. Einbauten, die zwar den Zerstäubungsprozess fördern, die jedoch gleichzeitig die Aufenthaltsdauer des Gemisches im Innern der Brennkammer erhöhen, wie beispielsweise eine mündungsseitig stark konische Zuformung der Zerstäubungskammer oder im Innern der Zerstäubungskammer angeordnete Deflektoren, beeinträchtigen daher die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Brenners und gefährden diesen sogar.Fuel supply and an oxygen supply into an atomization chamber, which is fluidly connected to a burner nozzle, wherein the atomization chamber is designed as an essentially cylindrical, freely flowable hollow body. According to the invention, a so-called internal-mixing burner is used. The invention makes use of the surprising finding that already when the fuel is mixed on the surface of the atomized fuel particles, strongly exothermic oxidation processes start, which lead to an increase in volume and thus to an increase in the pressure of the mixture. The pressure generated by the fuel-oxygen mixture inside the atomization chamber is so high that the speed of the mixture expelled at the mouth of the burner nozzle is equal to or higher than the maximum flame speed of the fuel-oxygen mixture. Baffles which promote the atomization process, but which at the same time increase the duration of the mixture inside the combustion chamber, such as a conical shape of the atomization chamber on the mouth side or deflectors arranged inside the atomization chamber, therefore impair the functionality of the burner according to the invention and even endanger it.
Die Geometrie des Brenners ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass die Brennstoffzuführung konzentrisch in die Zerstäubungskammer einmündet und dass die Strömungsverbindung der Zerstäubungskammer mit der Sauerstoffzuführung über sich in der zylindermantelförmigen Innenwandung der Zerstäubungskammer erstreckende Einlassbohrungen gewährleistet wird.The geometry of the burner is expediently designed such that the fuel supply opens concentrically into the atomization chamber and that the flow connection of the atomization chamber with the oxygen supply is ensured via inlet bores extending in the cylindrical jacket-shaped inner wall of the atomization chamber.
Um die Strömungsverhältnisse in der Zerstäubungskammer zu verbessern und die Flamme zu formen, verlaufen die Einlassbohrungen in der Wandung derIn order to improve the flow conditions in the atomization chamber and to form the flame, the inlet bores run in the wall of the
Zerstäubungskammer mit einer tangentialen Richtungskomponente. Hierdurch wird eine kreisförmige Strömung im Innern der Zerstäubungskammer erzeugt.Atomization chamber with a tangential directional component. This creates a circular flow inside the atomization chamber.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht einen axial geneigten Verlauf der Einlassbohrungen in der Wandung der Zerstäubungskammer vor, wobei die axiale Neigung von der Sauerstoffzuführung zur Mündungsöffnung der Zerstäubungskammer hin gerichtet ist. Hierdurch wird eine besonders hohe Geschwindigkeit beim Ausstoß des Sauerstoff-Brennstoff-Gemischs erzielt. Vorteilhafterweise ist ein Zementdrehrohrofen mit einem erfindungsgemäßen Brenner ausgestattet, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Der Brenner ermöglicht damit eine deutliche Einsparung an Sauerstoff sowie eine beträchtliche Erhöhung des Altölanteils im Brennstoff. Die Kosten der Zementproduktion werden dadurch wesentlich gesenkt. In der Zementproduktion erweist sich insbesondere die Möglichkeit, den Altölanteil im Brennstoff zu erhöhen als besonders vorteilhaft.A further preferred embodiment of the invention provides for an axially inclined profile of the inlet bores in the wall of the atomization chamber, the axial inclination being directed from the oxygen supply to the mouth opening of the atomization chamber. As a result, a particularly high speed is achieved when the oxygen-fuel mixture is ejected. A rotary cement kiln is advantageously equipped with a burner according to the invention, which is operated according to the method according to the invention. The burner thus enables significant savings in oxygen and a considerable increase in the proportion of waste oil in the fuel. This significantly reduces the cost of cement production. In cement production, the possibility of increasing the proportion of waste oil in the fuel has proven to be particularly advantageous.
Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.An exemplary embodiment of the invention will be explained in more detail below with the aid of the drawing.
Die einzige Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brenners.The only drawing shows schematically the structure of a burner according to the invention.
Bei dargestellten Brenner 1 handelt es sich um einen Mischbrenner, in dem feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe oder Gemische davon einsetzbar sind. Der Brenner 1 weist - in Strömungsrichtung gesehen - nacheinander eine Brennstoffzuführung 2, einen Mischkammereinsatz 3 und eine Brennerdüse 4 auf. In die als Metallrohr ausgebildete Brennstoffzuführung 2 ist mit einem Verbindungsabschnitt 6 der gleichfalls aus Metall, etwa Stahl, gefertigte Mischkammereinsatz 3 eingeschraubt. Der Innendurchmesser des Verbindungsabschnitts 6 entspricht dem der Brennstoffzuführung 2, sodass eine freie Durchströmbarkeit gewährleistet ist. Ein Deflektor in diesem Bereich ist nicht vorgesehen. Anschließend an den Verbindungsabschnitt 6 erweitert sich das Lumen des Mischkammereinsatzes 3 konisch zu einem zylindrisch ausgebildeten Zerstäubungsbereich 7, in dessen Wandung 6 unten näher beschriebene, im wesentlichen radial verlaufende Einlassbohrungen 8 für Sauerstoff angeordnet sind. In axialer Richtung schließt sich an den Zerstäubungsbereich 7 ein Mündungsabschnitt 9 an. Der Mündungsabschnitt 9 ist ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei jedoch eine geringfügige konische Zuformung des Mündungsabschnittes 9 noch als im Rahmen der Erfindung anzusehen ist.The burner 1 shown is a mixed burner in which solid, liquid or gaseous fuels or mixtures thereof can be used. The burner 1 has a fuel feed 2, a mixing chamber insert 3 and a burner nozzle 4, as seen in the flow direction. The mixing chamber insert 3, which is likewise made of metal, for example steel, is screwed into the fuel feed 2, which is designed as a metal tube, with a connecting section 6. The inner diameter of the connecting section 6 corresponds to that of the fuel feed 2, so that a free flow is guaranteed. A deflector in this area is not provided. Subsequent to the connecting section 6, the lumen of the mixing chamber insert 3 widens conically to form a cylindrical atomization region 7, in the wall 6 of which essentially radial inlet bores 8 for oxygen, which are described in more detail below, are arranged. A mouth section 9 adjoins the atomization region 7 in the axial direction. The mouth section 9 is also essentially cylindrical, but a slight conical shape of the mouth section 9 is still to be regarded as within the scope of the invention.
Dem Mündungsabschnitt 9 des Mischkammereinsatzes 3 ist die Brennerdüse 4 aufgesetzt, wobei zwischen der Vorderfläche des Mündungsabschnittes 9 und einer Ringschulter 11 der Brennerdüse 4 eine Metalldichtung 12 vorgesehen ist. Die Brennerdüse 4 weist innenseitig eine zylindrischen Auslaufstrecke 14 auf, dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem des Mündungsabschnittes 9 entspricht und an den sich ein Diffusor 15 mit einer sich konisch nach außen hin erweiternden Düsenöffnung 16 anschließt. Die Länge der Auslaufstrecke und der Öffnungswinkel der Düsenöffnung 16 ist der zu erwartenden Strahlausbildung angepasst.The burner nozzle 4 is placed on the mouth section 9 of the mixing chamber insert 3, between the front surface of the mouth section 9 and a Ring shoulder 11 of the burner nozzle 4, a metal seal 12 is provided. The inside of the burner nozzle 4 has a cylindrical outlet section 14, the inside diameter of which essentially corresponds to that of the mouth section 9 and which is followed by a diffuser 15 with a nozzle opening 16 which widens conically outwards. The length of the outlet section and the opening angle of the nozzle opening 16 are adapted to the expected jet formation.
Auf seinem dem Diffusor 15 entgegengesetzten Abschnitt erstreckt sich die Brennerdüse 3 mit einem hohlzylinderförmigen Hinterabschnitt 17 konzentrisch über den Misch kammereinsatz 3 sowie die Brennstoffzuführung 2, wobei ein Ringspalt 18 offengehalten wird. Der zur Düsenöffnung 16 hin geschlossene Ringspalt 18 steht über die Einlassbohrungen 8 mit dem Zerstäubungsbereich 7 des Mischkammereinsatzes 3 in Strömungsverbindung und dient in der unten näher beschriebenen Weise der Zuführung von Sauerstoff in den Zerstäubungsbereich 7.On its section opposite the diffuser 15, the burner nozzle 3 extends with a hollow cylindrical rear section 17 concentrically over the mixing chamber insert 3 and the fuel supply 2, an annular gap 18 being kept open. The annular gap 18, which is closed toward the nozzle opening 16, is in flow connection via the inlet bores 8 with the atomization area 7 of the mixing chamber insert 3 and serves to supply oxygen to the atomization area 7 in the manner described in more detail below.
Beim Betrieb des Brenners 1 wird Brennstoff, beispielsweise Kohle, Öl oder Gas, dem ein Zusatzbrennstoff, wie etwa Altöl oder ein sonstiger Abfallstoff, beigemischt ist, durch die Brennstoffzuführung 2 in den Zerstäubungsbereich 7 eingeleitet. Zugleich strömt Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas, wie etwa sauerstoff- angereicherte Luft, mit einem Druck von 3 bis 5 bar durch den Ringspalt 18 sowie die Einlassöffnungen 8 in den Zerstäubungsbereich 7 ein. Die hohe Einströmgeschwindigkeit des Sauerstoffes führt zu einer effizienten Zerstäubung des Brennstoffs in kleine Teilchen. Um die Effizienz des Zerstäubungsvorgangs weiter zu steigern, können die im Ausführungsbeispiel radial in der Wandung 6 des Zerstäubungsbereiches 7 verlaufenden Einlassbohrungen 8 eine tangentiale Richtungskomponente aufweisen oder sich axial geneigt, nach innen in Richtung zum Mündungsabschnitt 9 hin, erstrecken. Zugleich mit der Zerstäubung erfolgt innerhalb des Zerstäubungsbereiches 7, dem Mündungsabschnitt 9 und der Auslaufstrecke14 eine Durchmischung der Brennstoffteilchen mit Sauerstoff. Das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch wird mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 16 ausgestoßen und mittels eines hier nicht gezeigten Zündmechanismus im Bereich vor der Düsenöffnung 16 gezündet. Bereits während der Zerstäubung bzw. Durchmischung einsetzende, stark exotherme Verbrennungsreaktionen an der Oberfläche der Brennstoffteilchen, die zu einer Erwärmung und damit zu einer Volumenausdehnung des Gemisches führen, steigern dabei die Geschwindigkeit, mit der das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch aus der Düsenöffnung 16 austritt. Die Geschwindigkeit des Sauerstoff-Brennstoff- Gemisches im Bereich der Düsenöffnung 16 darf dabei die Flammengeschwindigkeit des Gemisches nicht unterschreiten, um Beschädigungen der Düse auszuschließen und zu gewährleisten, dass sich die Flamme stets im Vorfeld der Düsenöffnung 16 befindet. Typischerweise beträgt die Ausströmgeschwindigkeit an der Düsenöffnung 16 zwischen 80 und 120 m/s. Durch eine hier nicht gezeigte Regelung der Sauerstoffzufuhr kann die Ausströmgeschwindigkeit dem jeweiligen Brennstoff angepasst werden. Um eventuelle Flammenrückschläge zu vermeiden, sollte der Brenner 1 beim An- und Abfahren mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff gespült werden.When the burner 1 is operating, fuel, for example coal, oil or gas, to which an additional fuel, such as waste oil or another waste material, is added, is introduced into the atomization area 7 through the fuel feed 2. At the same time, oxygen or an oxygen-rich gas, such as oxygen-enriched air, flows with a pressure of 3 to 5 bar through the annular gap 18 and the inlet openings 8 into the atomization area 7. The high inflow rate of oxygen leads to an efficient atomization of the fuel into small particles. In order to further increase the efficiency of the atomization process, the inlet bores 8, which in the exemplary embodiment run radially in the wall 6 of the atomization region 7, can have a tangential directional component or can extend axially inclined inwards towards the mouth section 9. At the same time as the atomization, the fuel particles are mixed with oxygen within the atomization area 7, the mouth section 9 and the outlet section 14. The fuel-oxygen mixture is expelled from the nozzle opening 16 at high speed and ignited in the area in front of the nozzle opening 16 by means of an ignition mechanism, not shown here. Strongly exothermic combustion reactions on the surface of the fuel particles that start during the atomization or mixing and that lead to heating and thus to an expansion of the volume of the mixture increase the speed at which the fuel-oxygen mixture emerges from the nozzle opening 16. The speed of the oxygen-fuel mixture in the region of the nozzle opening 16 must not fall below the flame speed of the mixture in order to prevent damage to the nozzle and to ensure that the flame is always in the area in front of the nozzle opening 16. The outflow speed at the nozzle opening 16 is typically between 80 and 120 m / s. By regulating the oxygen supply, not shown here, the outflow speed can be adapted to the respective fuel. In order to avoid possible flashbacks, the burner 1 should be flushed with an inert gas, for example nitrogen, when starting and stopping.
Der Brenner 1 dient bevorzugt zum Einbau in einem Zementdrehrohrofen, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. Er ermöglicht die effiziente Verbrennung eines Brennstoffgemisches mit stabiler Flamme, das einen Anteil an Zusatzbrennstoffen von 50 bis 70 %, bzw. eine Eintragsrate an Zusatzbrennstoffen von 2 bis 5 t/h, aufweist. The burner 1 is preferably used for installation in a rotary cement kiln, but is not limited to this application. It enables the efficient combustion of a fuel mixture with a stable flame, which has a proportion of additional fuels of 50 to 70%, or an entry rate of additional fuels of 2 to 5 t / h.
BezuqszeichenlisteLIST OF REFERENCES
1. Brenner1. Burner
2. Brennstoffzuführung2. Fuel supply
3. Mischkammereinsatz3. Mixing chamber insert
4. Brennerdüse4. Burner nozzle
5. Verbindungsabschnitt5. Connection section
6. Wandung6. wall
7. Zerstäuberabschnitt7. Atomizer section
8. Einlassbohrungen8. Inlet holes
9. Mündungsabschnitt9. Mouth section
10. -10.-
11. Ringschulter11. Ring shoulder
12. Metalldichtung12. Metal seal
13. -13.-
14. Durchmischungsbereich14. Mixing area
15. Diffusor15. Diffuser
16. Düsenöffnung16. Nozzle opening
17. Hinterabschnitt17th rear section
18. Ringspalt 18. Annular gap

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Verbrennen von flüssigen und/oder festen Brennstoffen, bei dem der Brennstoff zerstäubt, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas vermischt und das Sauerstoff-Brennstoff-Gemisch verbrannt wird, gekennzeichnet durch den Einsatz eines innenmischenden Brenners (1), bei dem die Zerstäubung des Brennstoffes und das Durchmischen des Brennstoffes mit dem Sauerstoff oder dem sauerstoffreichen Gas zumindest überwiegend durch das Eindüsen von Brennstoff und Sauerstoff in einer weitgehend geschlossenen Zerstäubungskammer (7) erfolgt, aus welcher1. A method for burning liquid and / or solid fuels, in which the fuel is atomized, mixed with oxygen or an oxygen-rich gas and the oxygen-fuel mixture is burned, characterized by the use of an internal mixing burner (1), in which the Atomization of the fuel and mixing of the fuel with the oxygen or the oxygen-rich gas takes place at least predominantly by the injection of fuel and oxygen in a largely closed atomization chamber (7), from which
Zerstäubungskammer (7) das Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch mit einer Geschwindigkeit, die gleich oder größer als die Flammgeschwindigkeit des Gemisches ist, zwecks Verbrennung einer Brennerdüse (4) zugeleitet wird.Atomization chamber (7) the fuel-oxygen mixture is fed at a speed which is equal to or greater than the flame speed of the mixture for the purpose of burning a burner nozzle (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff der Zerstäubungskammer (7) mit einem Druck von 3 bis 5 bar zugeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the oxygen of the atomization chamber (7) is fed at a pressure of 3 to 5 bar.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff 50-70% Abfallöl enthält.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the fuel contains 50-70% waste oil.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Zerstäubungskammer (7) vor und nach dem Einsatz des Brenners mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, gespült wird.4. The method according to any one of the preceding claims, that the atomization chamber (7) before and after the use of the burner with an inert gas, for example nitrogen, is purged.
5. Brenner, insbesondere Sauerstoffbrenner, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Brennstoffzuführung (2) und eine Sauerstoffzuführung (18) in eine Zerstäubungskammer (7), die mit einer Brennerdüse (4) strömungsverbunden ist, einmünden, wobei die Zerstäubungskammer (7) als ein im wesentlichen zylinderförmiger, frei durchströmbarer Hohlkörper ausgebildet ist.5. burner, in particular oxygen burner, for performing the method according to any one of the preceding claims, in which a fuel supply (2) and an oxygen supply (18) in an atomization chamber (7) which is flow-connected to a burner nozzle (4) open, wherein the atomization chamber (7) is designed as an essentially cylindrical, freely flowable hollow body.
6. Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die6. Burner according to claim 5, characterized in that the
Brennstoffzuführung (2) konzentrisch in die Zerstäubungskammer (7) einmündet und die Strömungsverbindung der Zerstäubungskammer (7) mit der Sauerstoffzuführung (18) über in der zylindermantelförmigen Wandung (6) der Zerstäubungskammer (7) angeordnete Einlassbohrungen (8) erfolgt.Fuel supply (2) opens concentrically into the atomization chamber (7) and the flow connection of the atomization chamber (7) the oxygen supply (18) takes place via inlet bores (8) arranged in the cylindrical jacket-shaped wall (6) of the atomization chamber (7).
7. Brenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassbohrungen (8) derart in der Wandung (6) der Zerstäubungskammer (7) verlaufen, dass sie eine tangential zum Zylindermantel der Zerstäubungskammer (7) verlaufende Komponente aufweisen.7. Burner according to claim 5 or 6, characterized in that the inlet bores (8) run in the wall (6) of the atomization chamber (7) in such a way that they have a component running tangentially to the cylinder jacket of the atomization chamber (7).
8. Brenner nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassbohrungen (8) derart in der Wandung (6) der Zerstäubungskammer8. Burner according to one of claims 5 to 7, characterized in that the inlet bores (8) in the wall (6) of the atomization chamber
(7) verlaufen, dass die eine axiale zur Längserstreckung der Zerstäubungskammer verlaufende Komponente aufweisen.(7) run that have an axial component extending in the longitudinal direction of the atomization chamber.
9. Zementdrehrohrofen, gekennzeichnet durch einem Brenner (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8. 9. cement rotary kiln, characterized by a burner (1) according to one of claims 5 to 8.
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