EP4341629A1 - Brenner - Google Patents

Brenner

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EP4341629A1
EP4341629A1 EP22729549.0A EP22729549A EP4341629A1 EP 4341629 A1 EP4341629 A1 EP 4341629A1 EP 22729549 A EP22729549 A EP 22729549A EP 4341629 A1 EP4341629 A1 EP 4341629A1
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EP
European Patent Office
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burner
chamber
nozzle
mixing
melting furnace
Prior art date
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EP22729549.0A
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English (en)
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EP4341629B1 (de
EP4341629C0 (de
Inventor
Björn Klumbies
Günter Gesche
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP4341629B1 publication Critical patent/EP4341629B1/de
Publication of EP4341629C0 publication Critical patent/EP4341629C0/de
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    • F23D14/04—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone induction type, e.g. Bunsen burner
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    • F27D2099/0045—Radiant burner

Definitions

  • the present invention relates to a burner for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace, and a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace, comprising the at least one burner according to the invention.
  • Burners for a shaft melting furnace are known in principle from the prior art.
  • WO 90/02909 discloses a generic burner with a conical first chamber, an adjoining mixing chamber and a telescoping eyepiece, which extends axially through the burner.
  • the burner known from WO 90/02909 has essentially complete combustion and a uniform flame composition, but on the one hand does not meet today's increased environmental requirements and on the other hand does not allow permanent flame monitoring.
  • the present invention is therefore based on the object of further developing a burner known from the prior art in such a way that its energy balance is improved.
  • the object of the present invention is preferably to provide a burner which enables homogeneous mixing between an oxygen-containing gas and a fuel gas with a simultaneously lower pressure loss.
  • the object is achieved by a burner having the features of claim 1.
  • the burner according to the invention is intended for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace, and comprises a first chamber with an inlet opening, via which an oxygen-containing gas, such as air, oxygen-enriched air or pure oxygen, can be fed to the burner, and an outlet opening, which is located on a located at the distal end of a tapered portion of the first chamber; and a second chamber connected to the conical portion of the first chamber and having a burner nozzle.
  • an oxygen-containing gas such as air, oxygen-enriched air or pure oxygen
  • the burner has a fuel gas line which opens into the first chamber and via which a fuel gas can be supplied to the burner; and a mixing nozzle which is arranged in the outlet opening of the first chamber and has a mixing chamber, via which the oxygen-containing gas and the combustible gas can be mixed to form a combustible gas mixture.
  • Gases containing hydrocarbons in particular methane or natural gas, hydrogen or mixtures thereof, are particularly suitable as fuel gases.
  • the mixture for example one of natural gas or methane and hydrogen, is advantageously individually premixed in the range from 1 to 100% by volume, for example in a valve station, and then fed to the burner via the fuel gas line.
  • One advantage of adding hydrogen to the hydrocarbon-containing gas is that it is possible to react flexibly to rising CO2 prices in the future. Provision is particularly preferably made here for the hydrogen to have been obtained by means of renewable energies.
  • the fuel gas is premixed with the oxygen-containing gas.
  • the premixed combustible gas mixture then flows through the mixing nozzle arranged in the outlet opening and is then homogeneously mixed in the mixing chamber, which advantageously has a specific mixing geometry.
  • the entire mixing nozzle is designed in such a way that it causes a particularly low pressure loss of only 70 mbar. This ultimately achieves that the permanent pressure loss at the burner can be continuously kept to a minimum, as a result of which the burner has a better energy balance compared to burners known from the prior art.
  • the fuel gas line opens into the conically tapering section of the first chamber, and particularly preferably comprises at least one or a plurality of nozzle openings, by means of which the fuel gas can be supplied at an angle of 30° to 60° in relation to a longitudinal axis of the burner to the oxygen-containing gas, which is essentially rectified as it flows through the first chamber through the conical section.
  • the mixing nozzle causes a particularly low pressure loss, which has an advantageous energetic effect on the operation of the burner.
  • the low pressure loss is achieved via the specific mixing geometry, which is advantageously formed by a plurality of blades arranged in the mixing chamber.
  • the mixing chamber is ring-shaped and has an inner ring and an outer ring.
  • the mixing nozzle preferably has a first set of blades arranged radially on the outside and a second set of blades arranged radially on the inside, with the two sets of blades being arranged in opposite directions to one another, preferably in such a way that each blade of the first set is connected to three blades of the second set or each blade of the second set with three blades of the first set three forms shear planes.
  • the burner also includes a monitoring device with a viewing axis extending through the first chamber, the mixing nozzle, the second chamber and the burner nozzle, via which the outlet area of the burner and the flame chamber of the shaft melting furnace are monitored by an operator or by means of a camera module can be used to react to disturbances in the combustion chamber.
  • the observation device advantageously comprises a tube which extends axially through the first chamber, with a first end of the tube being arranged outside the burner and comprising a sight glass and/or a camera module, and a second end of the tube in a central opening of the mixing nozzle arranged, and is locked, for example, by means of a bayonet catch.
  • a fuel gas line arranged coaxially around the tube of the observation device is particularly advantageous. It is therefore preferred in this context that the combustion gas line is arranged coaxially around the tube of the observation device and, at its end oriented towards the mixing nozzle, comprises a plurality of nozzle openings, which are particularly preferably arranged distributed over its circumference.
  • Each of the plurality of nozzle openings is aligned at an angle of 40° to 50°, preferably at an angle of 45°, relative to the visible or longitudinal axis of the burner in order to achieve a particularly high first blend between the fuel gas flowing out of the nozzle openings and to achieve the oxygen-containing gas.
  • the burner nozzle which advantageously comprises a plurality of guide vanes, is arranged at the end of the second chamber arranged axially opposite the mixing nozzle. These are arranged in a front area of the burner nozzle in the direction of flow.
  • the guide vanes are designed and aligned with one another in such a way that the combustible gas mixture is driven to the center of the duct, which specifically generates turbulence in the center area and thus prevents free flow of the combustible gas mixture. While maintaining the line of sight at the same time, this has the effect that a homogeneous velocity profile is realized over the entire cross-section of the jet tube and the fuel gas mixture has reacted completely before it hits a melted material to be melted, so that there are no strands without reaction.
  • the burner nozzle In the area at the rear in the direction of flow, the burner nozzle then has a conically tapering outlet opening, the edge of which, according to an advantageous embodiment variant, has a jagged structure, in particular one provided with recesses, via which turbulence can be generated in a targeted manner, which leads to the formation of a stable flame root leads.
  • the burner is ignited by means of an ignition ionization candle which is arranged just behind the edge and is advantageously continuously monitored by means of an ionization monitor. For this it is necessary that the alarm wire is always positioned in the flame over the entire output range of the burner. Due to the formation of the stable flame root, this can be guaranteed at all times.
  • the present invention also relates to a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace, comprising at least one, more preferably a plurality of burners according to the invention.
  • a shaft melting furnace in particular a copper shaft melting furnace
  • at least one, preferably all of the burners according to the invention is or are arranged at an inclined angle relative to a horizontal line in a wall of the shaft melting furnace.
  • FIG. 2 shows the embodiment variant of the burner according to the invention shown in FIG. 1 in a sectional view
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the mixing nozzle in a perspective view
  • FIG. 5 shows the embodiment variant of the mixing nozzle shown in FIG. 4 in a sectional view
  • FIG. 6 shows an embodiment variant of the burner nozzle in a perspective representation
  • FIG. 7 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIG. 6 in a sectional view
  • FIGS. 6 and 7 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIGS. 6 and 7 in a front view.
  • FIG 1 a variant of the burner 1 according to the invention is shown in a perspective view, which can be used in principle in all metallurgical melting aggregates in which a visual Combustion chamber monitoring is required. However, it is preferably provided that the burner 1 is used in a copper shaft melting furnace (not shown) in which copper cathodes are melted down in order to recover copper.
  • the burner 1 shown in the embodiment variant shown here comprises a first connector 2, via which an oxygen-containing gas, such as air, can be fed to the burner 1, and a second connector 3, via which a fuel gas can be fed to the burner 1.
  • the fuel gas can include, for example, a hydrocarbon-containing gas such as natural gas or methane, hydrogen or a mixture thereof.
  • the burner 1 comprises a first chamber 4, which has a conical section 5, a second chamber 6 with a burner nozzle 7 (see FIG. 2), and a radiant tube 8.
  • the radiant tube 8 consists of silicon carbide.
  • the burner 1 also has an observation device 9 and a camera module 10, via which the combustion chamber can be monitored visually. As can be seen from the representation in FIG.
  • the volume flows and/or the composition of the oxygen-containing gas or the fuel gas mixture can be detected via the two measuring nozzles 11, 12.
  • an ignition ionization candle 13 is arranged at the distal end of the second chamber 6, via which the combustible gas mixture in the burner nozzle 7 can be ignited and the flame can be monitored immediately thereafter.
  • the burner 1 shown in FIG. 1 is designed for a throughput of 900 Nm3/h and has a pressure loss of only 90 mbar.
  • the burner 1 In order to be able to install the burner 1 ergonomically, it has two lifting eyes 41 on the outside of the second chamber 6, which are located in the center of gravity and each include a slot to compensate for changes in the center of gravity that can result from additional attachments.
  • the burner 1 can be fed with the oxygen-containing gas either from above, as shown in FIGS. 2 and 3, or from below. If it is advantageous to feed in the oxygen-containing gas from below, the burner 1 is rotated through 180°.
  • the second socket 3, via which the fuel gas can be fed to the burner 1, can also be installed rotated by 90° steps, depending on the installation conditions, the effect of the burner 1 being unaffected by the axial structure.
  • Figure 2 shows the embodiment variant of the burner 1 according to the invention shown in Figure 1 in a sectional view, but without the camera module 10.
  • this illustration shows the first chamber 4 , which has an inlet opening 14 , via which the oxygen-containing gas is introduced into the first chamber 4 via the first connector 2 .
  • the first chamber 4 comprises the conically tapering partial section 5, which has an outlet opening 16 arranged at its distal end.
  • the second chamber 6 Connected to the conical section 5 of the first chamber 4 is the second chamber 6, which is formed from a hollow-cylindrical element, for example a tube, and has a first end 17 facing the conical section 5 and a second end 18 arranged axially opposite. on which the burner nozzle 7 is arranged.
  • the burner nozzle 7 is produced from steel by means of an additive manufacturing process and is explained in more detail in FIGS.
  • a mixing nozzle 19 with a mixing chamber 20 is arranged at the first end 17 of the second chamber 6 or in the outlet opening 16 of the first chamber 4, via which the oxygen-containing gas and the fuel gas can be mixed to form a fuel gas mixture.
  • the fuel gas is introduced into the burner 1 via a fuel gas line 21 which opens into the first chamber 4 , in particular in the conically tapering section 5 of the first chamber 4 .
  • the fuel gas line 21 in the embodiment variant shown here is arranged coaxially around a pipe 22 of the observation device 9 and has a plurality of nozzle openings 23 at its end oriented towards the mixing nozzle 19, which are arranged distributed over its circumference (see Figure 3).
  • Each of the nozzle openings 23 is aligned at an angle of 40° to 50° with respect to a viewing axis 28 of the burner 1 in order to achieve a first blend between the fuel gas flowing out of the nozzle openings 23 and the oxygen-containing gas which flows through the first chamber 4 .
  • the tube 22 of the observation device 9 which extends axially through the first chamber 4 , has a first end 24 . This is arranged outside of the burner 1 and includes a sight glass 25 or, alternatively, the camera module 10 (FIG. 1), via which the combustion chamber can be monitored visually.
  • the tube 22 comprises a second end 26 which is arranged in a central opening 27 of the mixing nozzle 19 and is connected to it in a fixed position via a bayonet catch 29 (see FIG. 3).
  • the mixing nozzle 19 is shown in FIGS. 4 and 5 with its specific mixing geometry, which in the present case, like the burner nozzle 7, has been produced by means of an additive manufacturing process, but in contrast to this, it is made of silicon carbide.
  • the mixing nozzle 19 has a ring-shaped mixing chamber 20 which is delimited by an inner ring 30 and an outer ring 31 arranged radially opposite. Blades 32, 34 are arranged within the mixing chamber 19, via which the premixed combustible gas mixture can be mixed homogeneously by multiple intersections in the direction of flow.
  • the mixing chamber 20 includes a first set radially outward arranged vanes 32 carried by the outer ring 31 and a second set of radially inwardly arranged vanes 34 arranged opposite to the first set and carried by the inner ring 30.
  • the blades 32, 34 of the two sets are arranged relative to one another in the circumferential direction such that each blade 32 of the first set with three blades 34 of the second set or each blade 34 of the second set with three blades 32 of the first set has three shear planes trains.
  • each of the plurality of vanes 32, 34 has a slightly curved shape in cross section.
  • the burner nozzle 7 is shown in different representations.
  • This consists essentially of a hollow-cylindrical element and has a plurality of guide vanes 36 in a front region, via which the combustible gas mixture can first be guided through a central channel 37 formed between the guide vanes 36 (FIG. 8).
  • a central channel 37 formed between the guide vanes 36 (FIG. 8).
  • the burner nozzle 7 has a conically tapering outlet opening 38 whose surrounding end face or edge 39 has a structure provided with recesses 40 .

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Brenner (1) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, umfassend eine erste Kammer (4) mit einer Eintrittsöffnung (14), über die ein sauerstoffhaltiges Gas dem Brenner (1) zuführbar ist, und einer Austrittsöffnung (16), die an einem distalen Ende eines sich konisch verjüngenden Teilabschnitts (5) der ersten Kammer (4) angeordnet ist; eine mit dem konischen Teilabschnitt (5) der ersten Kammer (4) verbundene zweite Kammer (6) mit einer Brennerdüse (7); eine in der ersten Kammer (4) mündende Brenngasleitung (21), über die ein Brenngas dem Brenner (1) zuführbar ist; sowie eine in der Austrittsöffnung (16) der ersten Kammer (4) angeordnete Mischdüse (19) mit einer Mischkammer (20), über die das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu einem Brenngasgemisch mischbar sind.

Description

Brenner
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, sowie einen Schachtschmelzofen, insbesondere einen Kupferschachtschmelzofen, umfassend den zumindest einen erfindungsgemäßen Brenner.
Ob in der Elektrotechnik und Elektronik, in der Heizungs- und Klimatechnik oder in der Automobilindustrie - der Einsatz von Kupfer- und Kupferlegierungen ist aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken, wodurch die weltweite Nachfrage an diesem Edelmetall stetig steigt. Der weltweiten Nachfrage stehen jedoch gestiegene Sicherheits- und Umweltanforderungen an die Produktion gegenüber. Hierzu sind u.a. leistungsstarke Brenner unverzichtbar.
Brenner für einen Schachtschmelzofen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So offenbart beispielsweise die WO 90/02909 einen gattungsgemäßen Brenner mit einer konisch ausgebildeten ersten Kammer, einer sich daran anschließenden Mischkammer sowie einem teleskopierbaren Okular, welches sich axial durch den Brenner erstreckt. Der aus der WO 90/02909 bekannte Brenner weist eine im Wesentlichen vollständige Verbrennung und eine gleichmäßige Flammenzusammensetzung auf, genügt jedoch zum einen nicht den heutigen, gestiegenen Umweltanforderungen an und ermöglicht zum anderen keine permanente Flammenüberwachung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen aus dem Stand der Technik bekannten Brenner dahingehend weiterzubilden, dass dieser in Bezug auf seine Energiebilanz verbessert wird. Bevorzugt ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Brenner bereitzustellen, der eine homogene Vermischung zwischen einem sauerstoffhaltigen Gas und einem Brenngas bei gleichzeitig geringerem Druckverlust ermöglicht.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Brenner ist für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen vorgesehen und umfasst eine erste Kammer mit einer Eintrittsöffnung, über die ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff, dem Brenner zuführbar ist, und eine Austrittsöffnung, die an einem distalen Ende eines sich konisch verjüngenden Teilabschnitts der ersten Kammer angeordnet ist; und eine mit dem konischen Teilabschnitt der ersten Kammer verbundene zweite Kammer mit einer Brennerdüse.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Brenner eine in der ersten Kammer mündende Brenngasleitung, über die ein Brenngas dem Brenner zuführbar ist; sowie eine in der Austrittsöffnung der ersten Kammer angeordnete Mischdüse mit einer Mischkammer umfasst, über die das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu einem Brenngasgemisch mischbar sind.
Als Brenngase eignen sich insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Gase, insbesondere Methan oder Erdgas, Wasserstoff oder Gemische hiervon. Das Gemisch, beispielsweise eines aus Erdgas oder Methan und Wasserstoff wird vorteilhafterweise individuell im Bereich von 1 bis 100 Vol.-% vorgemischt, beispielsweise in einer Ventilstation, und sodann dem Brenner über die Brenngasleitung zugeführt. Ein Vorteil der Beimischung von Wasserstoff zu dem kohlenwasserstoffhaltigen Gas besteht darin, dass auf zukünftig ansteigende C02-Bepreisung flexibel reagiert werden kann. Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien gewonnen worden ist.
Durch die Anordnung der Brenngasleitung innerhalb der ersten Kammer, die als Sammelkammer für das sauerstoffhaltige Gas dient, wird das Brenngas mit dem sauerstoffhaltigen Gas vorvermischt. Das vorvermischte Brenngasgemisch strömt anschließend durch die in der Austrittsöffnung angeordnete Mischdüse und wird sodann in der Mischkammer, die vorteilhafterweise eine spezifische Mischgeometrie aufweist, homogen vermischt. Die gesamte Mischdüse ist dabei derart ausgebildet, dass diese einen besonders geringen Druckverlust von lediglich 70 mbar verursacht. Hierdurch wird letztendlich erzielt, dass der permanente Druckverlust am Brenner kontinuierlich auf einem Minimum gehalten werden kann, wodurch der Brenner im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Brennern eine bessere Energiebilanz aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Um die erste Verschneidung zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas und dem Brenngas innerhalb der ersten Kammer weiter zu erhöhen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Brenngasleitung in dem konisch verjüngenden Teilabschnitt der ersten Kammer mündet, und besonders bevorzugt zumindest eine oder eine Mehrzahl von Düsenöffnungen umfasst, mittels derer das Brenngas in einem Winkel von 30° bis 60° bezogen auf eine Längsachse des Brenners dem sauerstoffhaltigen Gas, welches beim Durchströmen der ersten Kammer durch den konischen Teilabschnitt im Wesentlichen gleichgerichtet wird, zugeführt werden kann.
Wie bereits ausgeführt, verursacht die Mischdüse einen besonders geringen Druckverlust, der sich energetisch vorteilhaft auf den Betrieb des Brenners auswirkt. Der geringe Druckverlust wird hierbei über die spezifische Mischgeometrie erzielt, die vorteilhafterweise durch eine Mehrzahl von in der Mischkammer angeordneten Schaufeln gebildet ist. Die Mischkammer ist dabei ringförmig ausgebildet und weist einen Innenring und einen Außenring auf. Innerhalb der ringförmigen Mischkammerweist die Mischdüse vorzugsweise einen ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln und einen zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln auf, wobei die beiden Schaufelsätze gegenläufig zueinander angeordnet sind, vorzugsweise derart, dass eine jede Schaufel des ersten Satzes mit jeweils drei Schaufeln des zweiten Satzes bzw. eine jede Schaufel des zweiten Satzes mit jeweils drei Schaufeln des ersten Satzes drei Scherebenen ausbildet. Bei dieser Anordnung wird erzielt, dass das über die Schaufelflächen der radial außen angeordneten Schaufeln strömende Brenngasgemisch auf die im Wesentlichen senkrecht hierzu angeordneten Schaufelflächen der radial innen angeordneten Schaufeln aufschlägt und sich hierbei mit dem über die Schaufelflächen der radial innen angeordneten Schaufeln strömenden Brenngasgemisch vermischt und umgekehrt. Durch diese Mehrfachverschneidung des bereits vorgemischten Brenngasgemisches wird eine homogene Vermischung der beiden Gase bei gleichzeitig geringem permanentem Druckverlust erzielt.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst der Brenner weiterhin eine Beobachtungseinrichtung mit einer sich durch die erste Kammer, die Mischdüse, die zweite Kammer und die Brennerdüse erstreckenden Sichtachse, über die der Austrittsbereich des Brenners als auch der Flammraum des Schachtschmelzofens durch einen Bediener oder mittels eines Kameramoduls überwacht werden kann, um auf Störungen im Flammraum reagieren zu können.
Vorteilhafterweise umfasst die Beobachtungseinrichtung hierzu ein Rohr, welches sich axial durch die erste Kammer erstreckt, wobei ein erstes Ende des Rohrs außerhalb des Brenners angeordnet ist und ein Schauglas und/oder ein Kameramodul umfasst, und ein zweites Ende des Rohrs in einer zentrischen Öffnung der Mischdüse angeordnet, und beispielsweise mittels eines Bajonettverschlusses arretiert ist. Unter strömungsdynamischen Gesichtspunkten hat sich gezeigt, dass eine koaxial um das Rohr der Beobachtungseinrichtung angeordnete Brenngasleitung besonders vorteilhaft ist. Daher ist in diesem Zusammenhang bevorzugt, dass die Brenngasleitung koaxial um das Rohr der Beobachtungseinrichtung angeordnet ist und an ihrem zur Mischdüse orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen umfasst, die besonders bevorzugt über deren Umfang verteilt angeordnet sind. Jede der Mehrzahl von Düsenöffnungen ist dabei in einem Winkel von 40° bis 50°, bevorzugt in einem Winkel von 45°, bezogen auf die Sicht- bzw. Längsachse des Brenners ausgerichtet, um einen besonders hohen ersten Verschnitt zwischen dem aus den Düsenöffnungen ausströmenden Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas zu erzielen. An dem zur Mischdüse axial gegenüberliegend angeordneten Ende der zweiten Kammer ist die Brennerdüse angeordnet, die vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Leitschaufeln umfasst. Diese sind in einem in Strömungsrichtung vorderen Bereich der Brennerdüse angeordnet. Die Leitschaufeln sind dabei derart ausgebildet und zueinander ausgerichtet, dass das Brenngasgemisch zum Zentrum des Kanals getrieben wird, wodurch gezielt Turbulenzen im Zentrumsbereich erzeugt und somit eine freie Durchströmung des Brenngasgemisches unterbunden wird. Hierdurch wird bei gleichzeitiger Erhaltung der Sichtachse bewirkt, dass ein homogenes Geschwindigkeitsprofil über den gesamten Strahlrohr-Querschnitt realisiert wird und das Brenngasgemisch vor dem Auftreffen auf ein einzuschmelzendes Schmelzgut vollständig reagiert hat, so dass es zu keinen reaktionslosen Strähnen kommt.
Im in Strömungsrichtung hinteren Bereich weist die Brennerdüse sodann eine sich konisch verjüngende Austrittsöffnung auf, deren Kante gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante eine gezackte, insbesondere eine mit Ausnehmungen versehene, Struktur aufweist, über die eine Turbulenz gezielt erzeugt werden kann, die zu einer Ausbildung einer stabilen Flammwurzel führt. Der Brenner wird vorliegend mittels einer Zündionisationskerze gezündet, die kurz hinter der Kante angeordnet ist, und vorteilhafterweise über eine lonisationsüberwachung kontinuierlich überwacht. Hierzu ist es erforderlich, dass der Überwachungsdraht im gesamten Leistungsspektrum des Brenners immer in der Flamme positioniert ist. Durch die Ausbildung der stabilen Flammwurzel kann dies zu jeder Zeit gewährleistet werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem einen Schachtschmelzofen, insbesondere ein Kupferschachtschmelzofen, umfassend zumindest einen, mehr bevorzugt eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Brenner. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass der zumindest eine, bevorzugt sämtliche der erfindungsgemäßen Brenner in einem geneigten Winkel bezogen auf eine Horizontale in einer Wandung des Schachtschmelzofens angeordnet ist bzw. sind.
Figurenbeschreibung Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 2 die in Figur 1 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3 eine Ausführungsvariante des Rohrs mit der Brenngasleitung in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante der Mischdüse in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 5 die in Figur 4 gezeigte Ausführungsvariante der Mischdüse in einer Schnittdarstellung,
Fig. 6 eine Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 7 die in Figur 6 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Schnittdarstellung, und
Fig. 8 die in den Figur 6 und 7 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Frontdarstellung.
In Figur 1 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners 1 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt, der grundsätzlich in allen metallurgischen Einschmelzaggregaten einsetzbar ist, in denen eine visuelle Brennraumüberwachung erforderlich ist. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Brenner 1 in einem Kupferschachtschmelzofen (nicht dargestellt) eingesetzt wird, in dem Kupferkathoden eingeschmolzen werden, um Kupfer wiederzugewinnen.
Der in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante gezeigte Brenner 1 umfasst einen ersten Stutzen 2, über den ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, dem Brenner 1 zuführbar ist, sowie einen zweiten Stutzen 3, über den ein Brenngas dem Brenner 1 zuführbar ist. Das Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas, wie Erdgas oder Methan, Wasserstoff oder ein Gemisch hiervon umfassen. Ferner umfasst der Brenner 1 eine erste Kammer 4, die einen konischen Teilabschnitt 5 aufweist, eine zweite Kammer 6 mit einer Brennerdüse 7 (siehe Fig. 2), sowie ein Strahlrohr 8. Das Strahlrohr 8 besteht vorliegend aus Siliziumcarbid. Im hinteren Teil weist der Brenner 1 zudem eine Beobachtungseinrichtung 9 sowie ein Kameramodul 10 auf, über die eine visuelle Brennraumüberwachung erfolgen kann. Wie anhand der Darstellung in Figur 1 erkennbar, weist der Brenner 1 des Weiteren einen ersten Messstutzen 11 , der in dem ersten Stutzen 2 angeordnet ist, sowie einen zweiten Messstutzen 12 auf, der an einem distalen Ende der zweiten Kammer 6 angeordnet ist. Über die beiden Messstutzen 11, 12 können beispielsweise die Volumenströme und/oder die Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases bzw. des Brenngasgemisches detektiert werden. Ferner ist an dem distalen Ende der zweiten Kammer 6 eine Zündionisationskerze 13 angeordnet, über die das Brenngasgemisch in der Brennerdüse 7 gezündet und unmittelbar im Anschluss die Flamme überwacht werden kann. Der in Figur 1 gezeigte Brenner 1 ist auf einen Durchsatz von 900 Nm3/h ausgelegt und weist einen Druckverlust von lediglich 90 mbar auf.
Um den Brenner 1 ergonomisch einbauen zu können, weist dieser an der Außenseite der zweiten Kammer 6 zwei Kranösen 41 auf, die sich im Schwerpunkt befinden und jeweils ein Langloch umfassen, um Veränderungen des Schwerpunktes, die sich durch ergänzende Anbauten ergeben können, auszugleichen. Der Brenner 1 kann sowohl von oben, wie dies in Figur 2 und 3 dargestellt ist, als auch von unten mit dem sauerstoffhaltigen Gas gespeist werden. Sofern eine Einspeisung des sauerstoffhaltigen Gases von unten vorteilhaft ist, wird der Brenner 1 um 180° gedreht. Auch der zweite Stutzen 3, über den das Brenngas dem Brenner 1 zuführbar ist, kann je nach Einbaubedingungen um 90° Schritte verdreht montiert werden, wobei durch den axialen Aufbau die Wirkung des Brenners 1 nicht beeinflusst wird.
Figur 2 zeigt die in Figur 1 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners 1 in einer Schnittdarstellung, jedoch ohne das Kameramodul 10.
Erkennbar ist anhand dieser Darstellung zum einen die erste Kammer 4, die eine Eintrittsöffnung 14 aufweist, über die das sauerstoffhaltige Gas über den ersten Stutzen 2 in die erste Kammer 4 eingebracht wird. Die erste Kammer 4 umfasst neben einem Hauptabschnitt 15, in dem die Eintrittsöffnung 14 mündet, den sich konisch verjüngenden Teilabschnitt 5, der eine an seinem distalen Ende angeordnete Austrittsöffnung 16 aufweist. Mit dem konischen Teilabschnitt 5 der ersten Kammer 4 ist die zweite Kammer 6 verbunden, die aus einem hohlzylindrischen Element, beispielsweise einem Rohr, gebildet ist und ein erstes, dem konischen Teilabschnitt 5 zugewandtes, Ende 17 sowie ein axial gegenüberliegend angeordnetes zweites Ende 18 aufweist, an welchem die Brennerdüse 7 angeordnet ist. Die Brennerdüse 7 ist vorliegend mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aus Stahl hergestellt und wird in den Figuren 6 bis 8 näher erläutert.
An dem ersten Ende 17 der zweiten Kammer 6 bzw. in der Austrittsöffnung 16 der ersten Kammer 4 ist vorliegend eine Mischdüse 19 mit einer Mischkammer 20 angeordnet, über die das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu einem Brenngasgemisch mischbar sind. Das Brenngas wird dabei über eine Brenngasleitung 21 in den Brenner 1 eingebracht, die in der ersten Kammer 4, insbesondere in dem konisch verjüngenden Teilabschnitt 5 der ersten Kammer 4 mündet. Wie anhand der Darstellung in Figur 2 erkennbar, ist die Brenngasleitung 21 in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante koaxial um ein Rohr 22 der Beobachtungseinrichtung 9 angeordnet und weist an ihrem zur Mischdüse 19 orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen 23 auf, die über deren Umfang verteilt angeordnet sind (siehe Figur 3). Jede der Düsenöffnungen 23 ist dabei in einem Winkel von 40° bis 50° bezogen auf eine Sichtachse 28 des Brenners 1 ausgerichtet, um einen ersten Verschnitt zwischen dem aus den Düsenöffnungen 23 ausströmenden Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas zu erzielen, welches die erste Kammer 4 durchströmt. Das derart vor der Mischdüse 19 vorgemischte Brenngasgemisch durchströmt anschließend die Mischdüse 19. Das Rohr 22 der Beobachtungseinrichtung 9, welches sich axial durch die erste Kammer 4 erstreckt weist ein erstes Ende 24 auf. Dieses ist außerhalb des Brenners 1 angeordnet und umfasst ein Schauglas 25 oder alternativ das Kameramodul 10 (Figur 1), über welches die visuelle Brennraumüberwachung erfolgen kann. Über das Schauglas 25 kann ein Bediener entlang der sich durch die erste Kammer 4, die Mischdüse 19, die zweite Kammer 6 und die Brennerdüse 7 erstreckenden Sichtachse 28 in einen Schachtschmelzofeninnenraum schauen, um Störungen zu identifizieren. Ferner umfasst das Rohr 22 ein zweites Ende 26, das in einer zentrischen Öffnung 27 der Mischdüse 19 angeordnet ist und über einen Bajonettverschlusses 29 mit diesem positionsfest verbunden ist (siehe Figur 3).
In den Figuren 4 und 5 ist die Mischdüse 19 mit ihrer spezifischen Mischgeometrie dargestellt, die vorliegend, wie die Brennerdüse 7, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt worden ist, jedoch im Gegensatz zu dieser, aus Siliziumcarbid. Die Mischdüse 19 weist in der vorliegend dargestellten Ausführungsvariante eine ringförmig ausgebildete Mischkammer 20 auf, die von einem Innenring 30 und einem radial gegenüberliegend angeordneten Außenring 31 begrenzt wird. Innerhalb der Mischkammer 19 sind Schaufeln 32, 34 angeordnet, über die das vorgemischte Brenngasgemisch durch Mehrfachverschneidung in Strömungsrichtung homogen vermischt werden kann. Im Einzelnen umfasst die Mischkammer 20 einen ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln 32, die von dem Außenring 31 getragen werden, und einen, gegenläufig zu dem ersten Satz angeordneten, zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln 34, die von dem Innenring 30 getragen werden. Die Schaufeln 32, 34 der beiden Sätze sind in Umfangsrichtung derart zueinander angeordnet, dass eine jede Schaufel 32 des ersten Satzes mit jeweils drei Schaufeln 34 des zweiten Satzes bzw. eine jede Schaufel 34 des zweiten Satzes mit jeweils drei Schaufeln 32 des ersten Satzes drei Scherebenen ausbildet. Mit anderen Worten wird das über die Schaufelflächen 33 der radial außen angeordneten Schaufeln 32 strömende Brenngasgemisch auf die im Wesentlichen senkrecht hierzu angeordneten Schaufelflächen 35 der radial innen angeordneten Schaufeln 34 geleitet, welches sich hierbei mit dem über die Schaufelflächen 35 der radial innen angeordneten Schaufeln 34 strömenden Brenngasgemisch vermischt und umgekehrt. Zudem weist jede der Mehrzahl von Schaufeln 32, 34 im Querschnitt eine leicht gebogene Form auf.
In den Figuren 6 bis 8 ist eine Ausführungsvariante der Brennerdüse 7 in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Diese besteht im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Element und weist in einem vorderen Bereich eine Mehrzahl von Leitschaufeln 36 auf, über die das Brenngasgemisch zunächst durch einen zwischen den Leitschaufeln 36 gebildeten zentrischen Kanal 37 leitbar ist (Figur 8). Wie anhand der Darstellung in Figur 7 erkennbar, weisen die einzelnen Leitschaufeln 36 hierzu eine bogenförmige Biegung auf, wodurch das Brenngasgemisch beim Durchströmen des vorderen Bereichs der Brennerdüse 7 zunächst in die Mitte getrieben wird, bevor es den Kanal 37 passiert. Dieser wird im Wesentlichen durch die distalen Endabschnitte der einzelnen Leitschaufeln 36 definiert (Figur 8). In Strömungsrichtung unmittelbar dahinter weist die Brennerdüse 7 eine sich konisch verjüngende Austrittsöffnung 38 auf, deren umgebende Stirnfläche bzw. Kante 39 eine mit Ausnehmungen 40 versehene Struktur aufweist. Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 erster Stutzen 3 zweiter Stutzen
4 erste Kammer
5 konischer Teilabschnitt
6 zweite Kammer
7 Brennerdüse 8 Strahlrohr
9 Beobachtungseinrichtung
10 Kameramodul
11 erster Messstutzen
12 zweiter Messstutzen 13 Zündionisationskerze
14 Eintrittsöffnung
15 Hauptabschnitt
16 Austrittsöffnung
17 erstes Ende der zweiten Kammer 18 zweites Ende der zweiten Kammer
19 Mischdüse
20 Mischkammer
21 Brenngasleitung
22 Rohr 23 Düsenöffnungen
24 erstes Ende des Rohrs
25 Schauglas
26 zweites Ende des Rohrs
27 zentrische Öffnung 28 Sichtachse
29 Bajonettverschluss Innenring
Außenring erster Satz Schaufeln
Schaufelfläche radial äußerer Schaufeln zweiter Satz Schaufeln
Schaufelfläche radial innerer Schaufeln
Leitschaufeln
Kanal konisch verjüngende Austrittsöffnung Brennerdüse
Stirnfläche / Kante
Ausnehmungen

Claims

Patentansprüche
1. Brenner (1 ) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, umfassend eine erste Kammer (4) mit einer Eintrittsöffnung (14), über die ein sauerstoffhaltiges Gas dem Brenner (1) zuführbar ist, und einer Austrittsöffnung (16), die an einem distalen Ende eines sich konisch verjüngenden Teilabschnitts (5) der ersten Kammer (4) angeordnet ist; eine mit dem konischen Teilabschnitt (5) der ersten Kammer (4) verbundene zweite Kammer (6) mit einer Brennerdüse (7); gekennzeichnet durch eine in der ersten Kammer (4) mündende Brenngasleitung (21 ), über die ein Brenngas dem Brenner (1) zuführbar ist; sowie eine in der Austrittsöffnung (16) der ersten Kammer (4) angeordnete Mischdüse (19) mit einer Mischkammer (20), über die das sauerstoffhaltige Gas und das Brenngas zu einem Brenngasgemisch mischbar sind.
2. Brenner (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Brenngasleitung (21 ) in dem konisch verjüngenden Teilabschnitt (5) der ersten Kammer (4) mündet.
3. Brenner (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mischdüse (19) eine Mehrzahl von Schaufeln (32, 34) umfasst, die in der Mischkammer (20) angeordnet sind, wobei die Mischkammer (20) vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist.
4. Brenner (1) nach Anspruch 3, wobei die Mischdüse (19) innerhalb der ringförmigen Mischkammer (20) einen ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln (32) und einen zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln (34) umfasst, wobei die Schaufeln (32, 34) beider Sätze gegenläufig zueinander angeordnet sind.
5. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Beobachtungseinrichtung (9) mit einer sich durch die erste Kammer (4), die Mischdüse (19), die zweite Kammer (6) und die Brennerdüse (7) erstreckenden Sichtachse (28), über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist.
6. Brenner (1) nach Anspruch 5, wobei die Beobachtungseinrichtung (9) ein Rohr (22) umfasst, welches sich axial durch die erste Kammer (4) erstreckt, wobei ein erstes Ende (24) des Rohrs (22) außerhalb des Brenners (1) angeordnet ist und ein Schauglas (25) und/oder ein Kameramodul (10) umfasst, und ein zweites Ende (26) des Rohrs (22) in einer zentrischen Öffnung (27) der Mischdüse (19) angeordnet ist.
7. Brenner (1 ) nach Anspruch 6, wobei die Brenngasleitung (21 ) koaxial um das Rohr (22) der Beobachtungseinrichtung (9) angeordnet ist und an ihrem zur Mischdüse (19) orientierten Ende eine Mehrzahl von Düsenöffnungen (23) umfasst, die vorzugsweise über deren Umfang verteilt angeordnet sind.
8. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennerdüse (7) eine Mehrzahl von Leitschaufeln (36) umfasst, die vorzugsweise in einem vorderen Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet sind.
9. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennerdüse (7) eine konisch verjüngende Austrittsöffnung (38) umfasst, die vorzugsweise in einem hinteren Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet ist.
10. Brenner (1) nach Anspruch 9, wobei die konisch verjüngende Austrittsöffnung (38) eine Kante (39) mit einer gezackten, insbesondere eine mit Ausnehmungen (40) versehene, Struktur aufweist.
11. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischdüse (19) und/oder die Brennerdüse (7) aus Siliziumcarbid besteht.
12. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen, vorzugsweise zumindest zwei Messstutzen (11 , 12).
13. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein aus einer Keramik, vorzugsweise aus Siliziumcarbid (SiC), bestehendes Strahlrohr (8), welches besonders bevorzugt austauschbar ausgebildet ist.
14. Schachtschmelzofen, insbesondere ein Kupferschachtschmelzofen, umfassend zumindest einen Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Schachtschmelzofen nach Anspruch 14, wobei der zumindest eine Brenner
(1) in einem geneigten Winkel bezogen auf eine Horizontale in einer Wandung des Schachtschmelzofens angeordnet ist.
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