FI94151B - Tapa sulatusuuniin syötettävän reaktiokaasun syötön säätämiseksi ja tähän tarkoitettu monikäyttöpoltin - Google Patents

Description

1 94151

TAPA SULATUSUUNIIN SYÖTETTÄVÄN REAKTIOKAASUN SYÖTÖN SÄÄTÄMISEKSI JA TÄHÄN TARKOITETTU MONIKÄYTTÖPOLTIN

Keksintö koskee menetelmää uunin, edullisesti liekkisulatus-uunin jauhemaisen polttoaineen hapettamiseksi tarkoitetun reaktiokaasun kuten hapen tai happirikastetun kaasun ja mahdollisen kaasumaisen lisäpolttoaineen syöttämiseksi uuniin ja syötön säätämiseksi rikastepolttimessa. Keksintö kohdistuu myös tähän säätöön tarkoitettuun laitteeseen, monikäyttöpolt-timeen.

Itse jauhemainen aine voidaan helposti levittää ja hajottaa uunin reaktiokuiluun halutulla tavalla esim. keskeissuihku-hajottimen avulla, jota on kuvattu GB-patentissa 1 569 813.

Pystysuoralle reaktiokuilulle, kuten esimerkiksi liekkisula-tusuunille, välttämätön hapen tai happirikastetun kaasun, kuten ilman, kääntäminen lähinnä vaakatasosta pystytasoon ja suuntaaminen pystyn reaktiokuilun suuntaiseksi voidaan tehdä myös suuntauspolttimella, jota on kuvattu mm. US-patentissa 4 392 885.

Normaalitapauksessa 1. tapauksessa, jolloin käytetään ilmaa tai osittain happirikastettua ilmaa eikä kapasiteettivaihtelu . ole suuri, tämä kiinteärakoinen poltin onkin riittävä, mutta koska nykyään yhä useammin on siirrytty lähes sataprosenttiseen happeen, ovat kaasumäärät polttimessa pienentyneet suhteellisesti ottaen noin viidenteen osaan. Tällöin tietyn poltinkaasun nopeuden saavuttaminen vaatii yhä pienempää virtauspoikkipintaa polttimen purkausaukolle.

Koska on useimmiten kyse annuluksen muotoisesta purkaus-aukosta, tulee purkausaukon raosta helposti pieni, jolloin pienikin epäsymmetrisyys asennuksessa aiheuttaa reaktiokaasun puoltamisen reaktiokuiluun ja siten epätasaisen polton.

2 941 51

Reaktiokaasulla olemme tässä hakemuksessa tarkoittaneet happea tai happirikastettua ilmaa.

Vielä vaikeammaksi tilanteen tekee esimerkiksi FI pat.

hakemuksessa 90 0409 esitetyn happilanssin käyttö keskeissuihkuhajottimen sisällä, koska happilanssi suurentaa keskeissuihkuhajotinta, mikä puolestaan suuntauspoltinta käytettäessä suurentaa reaktiokaasun purkauksen annulusaukon sisähalkaisijaa ja pienentää tällä tavoin edelleen itse purkausrakoa.

US-patentissa 4 490 170 on kuvattu tapa, jossa annuluksen muotoinen rako on korvattu useammalla putkella, jolloin haitallista annuluksen muotoisen raon epäsymmetrisyyttä keskiputken siirtymisen takia ei pääse tapahtumaan.

Varsin usein vaatimuksena polttimelle on, että sillä on pystyttävä ajamaan hyvinkin laajaa kapasiteetti- ja happirikastus-aluetta. Tällöin kiinteäaukkoisella polttimellä reaktiokaasun purkausnopeudet joutuvat kelpoisuusalueen ulkopuolelle eli vaaditaan säädettävää aukko-poikkipintaa.

US-patentissa 4 331 087 esitetty reaktiokaasun säätö koskee kierron säätöä eikä sen avulla näinollen pystytä säätämään lineaarista ja lähinnä reaktiokuilun suuntaista kaasun nopeutta.

Tämän keksinnön mukainen hapen ja happirikastetun ilman syötön säätötapa ja -laite on erityisen hyvin sovellettavissa : edelläkuvattuihin, erityisesti liekkisulatusuunin rikaste- polttimiin. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista vaatimuksista.

Keksinnön mukaisesti tulokanavasta runkokammioon virtaava reaktiokaasu jakaantuu paine-eron ja tarvittaessa ohjaus- il ' en e 1 mi i i i ; 3 94151 siivekkeiden avustamana koko säätöelimistön alueelle. Säätö-elin/säätöelimet paljastavat sopivan lukumäärän putkimaisia johtokanavia tarvittavalta kohdalta ja runkokammion ja reaktiotilan välinen paine-ero ajaa prosessi-ilman säätö-elimen asetuksen määrämällä tavalla jaettuna reaktiotilaan.

Säätöelimen siirtoliike on poikittainen johtokanavien runkokammion puoleisen pään keskiakseliin verrattuna. Se voi avata tai sulkea virtausaukkoja johtokanaviin, pääsuun-taisesti joko johtokanava-aukkojen uuninpuoleisesta tai vastakkaisesta reunasta lähtien. Tällä tavalla voidaan osa-kuormitustapauksessa saada uuniin purkautuvan kaasusuihkun voimakkuus suuremmaksi joko lähellä keskiakselia tai etäämpänä siitä. Sen, kumpaa tapaa on edullisempi käyttää, määräävät prosessiolosuhteet.

Haluttu purkausnopeus ja jakautuma jauhemaisen rikastevirran ympärillä suurillekin kapasiteetin ja happiprosentin vaihteluille aikaansaadaan meidän keksinnössämme joukolla lähinnä samansuuntaisia, halutun kokoisia putkia, joihin voidaan johtaa joko yhtä tai useampaa kaasua, ja jotka sopivasti ympäröivät polttoaineen. Putkia voidaan joko täysin tai osittain sulkea säädön aikaansaamiseksi.

Säätöidean tulee olla riittävän yksinkertainen ja toimintavarma, kun otetaan huomioon reaktiokuilun ankarat olosuhteet; korkea lämpötila, kasvannaisten muodostumis-mahdollisuus jne.

Yksinkertaisuudessaan keksinnön mukainen laitteisto on seuraava: - säätö yhtenäisellä säätöelimellä - säätö katkomalla säätöelin erikseen säädettäviin osiin 4 94151 - ajankulun mukaan säätyvä järjestelmä, joka segventiaali-sesti asettaa eri puolille poltinta ennalta määrätyn virtaus-tilanteen yksinkertaisista standardiaineksista tehtävät rakenteet, jotka kestävät myös korkeissa lämpötiloissa - yksinkertainen, tiivis rakenne (hapen käyttö) - tarkkailu- ja puhdistusyhteet helposti tehtävissä - rakenne voidaan tehdä säätöelimiltään niin tiiviiksi, että se toimii samalla myös sulkuventtiilinä jos käytetään vähemmän tiivistä rakennetta, saadaan itsetoiminen jäähdytys uunisäteilylle alttiiksi joutuville osille - kahta tai useampaa runkokammiota käyttämällä voidaan esim. ilma ja happi ajaa reaktiotilaan asti omia erillisiä kanaviaan pitkin ja saadaan silti tehokas sekoittuminen itse reaktiotilassa - voidaan käyttää hajottimen kanssa tai ilman.

Keksinnön mukaisia säätötapoja on tarkemmin kuvattu oheisten piirustusten avulla, jolloin kuva 1 esittää kaaviollisena erästä keksintömme sovellutusta, liekkisulatusuunia, kuva 2 esittää jauhemaisen aineen, esimerkiksi rikasteen syöttöputken (hajottimen) ympärille sijoitettua erästä keksinnön mukaista toteutuselintä, kuva 3 esittää kuvan 2 säätöelimen kääntyvää osaa ja kolmea esimerkkiä sen säätömahdollisuudesta, kuva 4 esittää erästä toista keksinnön mukaista, rikastevirtaa ympäröivää säätöelinratkaisua, ; kuvassa 5 on levitettynä seitsemän erilaista pystysuunnassa liikuteltavaa säätörengasvaihtoehtoa kuvan 4 säätöelimestä, ja kuva 6 esittää kahdeksan erilaista putkikkojen säätämismahdollisuutta (sulkeminen/eri kaasut).

5 94151

Kuvassa 1 viitenumero 1 esittää kuljetinta, minkä avulla jauhemainen kiintoaine, kuten rikaste, siirretään säiliöstä 2 purkauskanavan 3 yläosaan niin, että materiaali putoaa jatkuvana virtana em. kanavan 3 kautta liekkisulatusuunin 4 reaktiokuilun yläosaan 5. Reaktiokaasu sekä mahdollinen lisäkaasu johdetaan putkien 6 ja 7 kautta poltinkammioon 8, jonka kautta kaasut purkautuvat em. rikastekanavan 3 ympäriltä reaktiokuilun suuntaisesti sen yläosaan 5.

Kuvassa 2 on kuvattu tilannetta, jossa ei ole käytetty kaasumaista lisäpolttoainetta. Reaktiokaasu, kuten happi tai happirikastettu ilma johdetaan useimmiten ensin lähes vaakasuuntaan ja käännetään se tämän keksinnön mukaista poltinkammiota 8 hyväksikäyttäen reaktiokuilun keskiakselin suuntaiseksi, kuilun yläosaan. Kuvan 2 mukaisesti kaasun jako perustuu purkausputkien 9 suureen L/D (pituus/hal-kaisija)-suhteeseen ja kaasun ohjautuvuuteen.

Reaktiokaasun johtaminen kyseiseen reaktiotilaan tapahtuu tämän keksinnön mukaisesti erillisten, ja harkinnan mukaan erikokoisten putkien 9 kautta siten, että pienemmät putket ovat lähempänä ja isommat kauempana rikastevirrasta (impulssi-periaate). Putket 9 ympäröivät rikasteputkea 3 arinamaisesti, normaalitapauksessa symmetrisesti, kuten esim. kuvassa 3 on esitetty.

Reaktiokaasun purkausnopeutta uuniin säädetään keksintömme mukaisella, olennaisesti vaakatasoon asennetulla säätö-elimellä 10, joka on sijoitettu poltinkammion 8 sisälle ja ympäröi jauhemaisen materiaalin syöttöputkea 3. Säätöelintä 10 säädetään niin, että reaktiokaasu saadaan erillisinä suihkuina sekoitetuksi optimienergialla ja -nopeudella hajotettuun ja edullisesti sivullepäin levitettyyn jauhemaisen aineen virtaan. Ko. jauhemaisen aineen virta voidaan muodostaa käyttämällä hyväksi esim. keskeissuihkuhajotinta.

6 94151

Kuvassa 3 on päältäkatsottuna tarkemmin kuvattu yhtä keksintömme mukaista säätöelintä 10 ja kolmea säätö-tilannetta. Kuvassa 3A on esitetty itse säätöelin 10, jota voidaan vaakatasossa kiertää peittämään kaasuputkia 9 halutulla ja hallitulla tavalla. Säätöelin 10 on halkaisijaltaan poltinkammion 8 kokoinen ja muotoinen, ja kuten kuvasta 3A näkyy, se on rengasmaisesta levystä valmistettu siten, että siitä on lovettu pois sektorimaiset vapaat aukot, jolloin levyyn jäävät sektorimaiset kannakset. Kannasten lukumäärä on edullisesti 3-8.

Kuvista 3B - 3D nähdään, että kaasun jakoputket 9 on edullisesti ryhmitelty ensinnäkin niin, että säätöelintä kiertämällä ne voidaan joko kokonaan tai osittain peittää, tai jättää kaikki putket auki, eli putket on myös ryhmitelty sektorimaisiin alueisiin. Sen lisäksi putket on edullisesti ryhmitelty niin, että jos putket ovat erikokoisia, halkaisijaltaan pienimmät putket ovat kehässä rikasteputken 3 ympärillä ja suurimmat vastaavasti uloimmassa kehässä.

Kuvan 3B tilanteessa 6x3 putkiryhmästä on virtaukselle avoimeksi jätetty vain pienimmät, lähimpänä rikasteputkea 3 olevat putket. Tilanne on tarkoitettu lähinnä pienille : kapasiteeteille, sillä järjestelyllä taataan riitävän suuret purkausnopeudet reaktiokaasulle tässäkin tilanteessa.

Kuva 3C näyttää säädön, missä säätöelin 10 on kierretty peittämään suurimmat ja uloimmat reaktiokaasuputket, mutta : kaksi pienintä putkikkoa jäävät vapaaksi. Tällä säädöllä C

voidaan hoitaa lähinnä normaali kapasiteetti.

Kuvassa 3D nähdään säätö, jossa kaikki reaktiokaasuputket ovat auki ja siten saadaan myös maksimikapasiteetilla toimittaessa kaasulle sopivat ja oikeat nopeudet.

I 1111........ -k i 7 941 51

Kuvien 2 ja 3 esittämä säätötapa on tarkoitettu lähinnä pienille reaktiokaasu/rikastesuhteille, joissa reaktiokaasu-putkien kokonaispoikkipinta on pieni ja se jättää tilaa säätöelimen "sokeille" alueille.

Kuvan 4 mukaista säätölaitteistoa vaaditaan, kun reaktio-kaasun maksimikapasiteetilla putkien yhteenlaskettu poikkipinta tulee niin suureksi, että vapaata umpirakennetta ei jää riittävästi putkien väliin vaakasuorassa asennossa olevan säätölevyn kääntämiseksi eri asentoihin. Kuvan 4 mukaisesti putket 9 käännetään yläosastaan vaakasuoraan ja samalla poltinkammiota 8 suurennetaan. Säätöelin on tässä tapauksessa rengaslevy 11, joka on sijoitettu poltinkammion ulkoreunalle, ja jota nostamalla ja laskemalla saadaan putkien päät suljetuksi halutulla tavalla ja siten estää reaktiokaasun pääsy näihin putkiin. Säätörengasta 11 voidaan liikuttaa pystysuunnassa esim. nostotankojen 12 avulla.

Kuvassa 5 on esitetty seitsemän erilaista, kuvassa 4 esitetyn säätörenkaan 11 muotoa levitettyinä kuvantoina. Kuvassa 5A säätöelin on tasakorkuinen lieriö, ja kuvissa 5B - 5F on esitetty eri muotoisia lieriöitä joissa esim. yläreuna ei ole suora. Kuvassa 5G on esitetty kaksiosainen säätö, jolloin osaa lieriöstä voidaan nostaa muun säätöelimen pysyessä paikallaan.

Säätörenkailla 11 voidaan peittää putkirivi kokonaan tai osittain. Osittain peitetyn putken vastus kasvaa ja vähentää . siten siihen ohjautuvaa reaktiokaasuvirtaa. Säätörenkaiden muotoa hyväksikäyttäen voidaan rikasteputkea ympäröivien reaktiokaasusuihkujen muodostaman kuvion symmetrisyyttä ohjata. Tällä tavalla voidaan ohjata reaktiokaasua enemmän tai vähemmän tietylle puolelle siten, että jätetään avoimeksi/suljetaan ko. puolen putkia vastaavalla tavalla.

- · l

/ · I

8 94151

Kuvassa 6 on esitetty päältäkatsottuna kahdeksan erilaista säätötilannetta. Tapauksissa A..D ja G on kyse vain yhdestä kaasusta, reaktiokaasusta. Tapauksissa E,F ja H on käytetty kahta kaasua, reaktiokaasua kuten happi ja kaasumaista lisäpolttoainetta kuten maakaasu. Täysin musta täplä kuvaa suljettua putkea 13, täysin valkoinen esimerkiksi reaktiokaasuputkea 14, ja vinoraidoitettu lisäkaasuputkea 15. On selvää, että säätövaihtoehtoja on lähes ääretön joukko ja että kaasuja voi periaatteessa olla useampia, mikä pitää ottaa tällöin huomioon käyttämällä useampaa kaasunsyöttö-putkea kuin mitä kuvassa 1 on esitetty.

Kuvassa 4 on esimerkkinä esitetty säädön toteutus käsisäätönä, mutta säätölaitteisto on myös keksinnön puitteissa automatisoitavissa.

Keksintöämme selvitetään seuraavassa vielä esimerkkien valossa.

Esimerkki 1 (Vertailuesimerkki) Käytetään normaaleja rikastepoltinsysteemejä liekkiuunissa eli edellä mainittuja suuntauspoltinta, keskeissuihku-hajotinta ja lisäksi hajottimen keskelle sijoitettua happi-lanssia. Rikaste on sulfidistä kuparirikastetta, määrältään 50 t/h, johon on lisätty noin 10% hiekkaa. Reaktiokaasuna käytetään 98% happea, josta määrästä 5-15% syötetään happilanssin kautta ja loput normaalin suuntauspolttimen kautta. Tämän mukaan mitoitettuna tulee keskeissuihku-hajottimen 3 vesijäähdytetyn ulkovaipan halkaisijaksi noin 500 mm. Tämä merkitsee sitä, että järkevän nopeuden (liike-energian) saavuttamiseksi suuntauspolttimen purkausaukossa tulee annuluksen muotoisen raon leveydeksi suuruusluokkaa 20 mm. Ammattimiehelle on selvää, että raon koko on melko pieni, kun ottaa huomioon olosuhteet. Ensinnäkin reaktiokuilun 9 941 51 lämpötila on 1400-1500 °C, minkä vuoksi polttimen purka- usaukossa tapahtuu helposti muodonmuutoksia, eikä 20 mm raossa ole paljoakaan varaa ilman, että virtauksesta tulee epäsymmetrinen. On myös otettava huomioon, että annuluksen muotoisen raon halkaisija on puolen metrin luokkaa, jolloin tilanne entisestään pahenee.

Jos nyt jostain syystä 95% happirikastusta ei voida käyttää, vaan on se korvattava ilmalla, merkitsee se ensinnäkin reaktiokaasumäärän lisääntymistä viisinkertaiseksi. Kun vielä otetaan huomioon, että ilmaa on esilämmitettävä vähintään lämpötilaan 200 °C, tulee reaktiokaasun purkausnopeus kuiluun nousemaan samalla kapasiteetilla lähes kahdeksankertaiseksi. Tämä on monessakin mielessä liian suuri nopeus eikä ole muuta mahdollisuutta kuin pudottaa kapasiteettia, jolloin päästään taas järkeville ajo-alueille.

Esimerkki 2.

Lisätään esimerkin 1 poltinsysteemiin keksintömme mukainen säätömekanismi ja lasketaan em. ajotilanteet uudelleen. Todetaan, että ensinnäkin voidaan luopua koko annulusraon leveyden ajattelusta. Tämä jo poistaa huomattavasti epäsym-metrisyyttä. Kun vielä otetaan huomioon se, että keksintömme purkausputkien muodostaman alueen halkaisija on valittavissa, voidaan alkuperäisen annulusrakoa vastaava alue mitoittaa vieläkin suuremmaksi ja hoitaa purkausnopeus uuniin putkien on/off-säädöllä. Tällä tavoin voidaan eri kapasiteettialueet ja happirikastusalueet ottaa huomioon jo poltinta mitoitettaessa. Keksinnössämme on erityisesti tärkeää nopeussäädön ulottuminen aivan reaktiotilaan asti ja siten juuri rikasteen ja reaktiokaasun sekoituskohtaan.

• · 4

Claims (15)

1. Menetelmä reaktiokaasun kuten hapen tai happirikastetun ilman syöttämiseksi rikastepolttimen kautta liekkisulatus-uuniin, jolloin kaasu syötetään polttimen keskelle sijoitetun jauhemaisen aineen syöttöputken ympäriltä, tunnettu siitä, että happi tai happirikastettu ilma syötetään reaktiokuiluun rikastepolttimessa sijaitsevia putkimaisia kanavia pitkin useana erillisenä kaasusuihkuna, ja kaasu-suihkujen määrää ja purkausnopeutta säädetään jauhemaisen aineen määrän tai reaktiokaasun happirikastuksen suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että erilliset kaasusuihkut on sijoitettu arina-maisesti ja symmetrisesti jauhemaisen aineen putken ympärille.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putkimaisten kanavien kautta syötetään reaktiokuiluun hapen tai happirikastetun ilman lisäksi kaasumaista lisäpolttoainetta.

4. Laite reaktiokaasun kuten hapen tai happirikastetun kaasun syöttämiseksi rikastepolttimen kautta liekkisulatusuuniin (4) , jolloin reaktiokaasu syötetään rikastepolttimen keskelle sijoitetun jauhemaisen aineen purkauskanavan (3) ympäriltä, tunnettu siitä, että reaktiokaasun syöttämiseksi sulatusuuniin on jauhemaisen aineen purkauskanavan (3) ympä- : rille muodostettu rengasmainen poltinkammio (8) , jonka sisä puolella reaktiokaasu saatetaan virtaamaan reaktiokuiluun (5) olennaisesti ainakin alapäästään reaktiokuilun pystyakselin suuntaisten purkausputkien (9) kautta, jotka on sijoitettu « iH i 14 li I i l ii 11 94151 ainakin kahdelle kehälle jauhemaisen aineen purkauskanavan (3) ympärille, ja purkausputkien yläpäähän on sijoitettu reaktiokaasun purkausnopeutta säätävä säätöelin (10).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että säätöelin (10) on poltinkammion poikkileikkauksen muotoinen ja kokoinen rengasmainen levy, johon on tehty sektorimaisia aukkoja.

6. Patenttivaatimusten 4 ja 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että sektorimaisten aukkojen väliin jäävien kannasten lukumäärä on edullisesti 3-8.

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että reaktiokaasun purkausputket (9) on järjestetty vaakatasossa katsottuna sektorimaisiin ryhmiin.

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että reaktiokaasun purkausputket (9) on yläpäästään taivutettu ulospäin olennaisesti vaakasuoraan asentoon.

9. Patenttivaatimusten 4 ja 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että säätöelin (11) on poltinkammion (8) ulompaan reunaan sijoitettu, pystysuunnassa liikuteltava lieriömäinen säätörengas.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että säätörenkaan (11) reunat ovat suorat.

10 941 51

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että säätörenkaan (11) reunat on muotoiltu.

12. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että säätörengas (11) muodostuu useammasta osasta. « 12 941 51

13. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että reaktiokaasun purkausputket (9) ovat eri kehillä erikokoisia.

14. Patenttivaatimusten 4 ja 13 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että reaktiokaasun purkausputket (9) on järjestetty poltinkammioon (8) siten, että poikkileikkaukseltaan pienimmät ovat kehässä välittömästi jauhemaisen aineen syöttöputken (3) ulkopuolella ja poikkileikkaukseltaan suurimmat uloimmalla kehällä.

15. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että osa reaktiokaasujen purkausputkista (14) on korvattu lisäkaasuputkilla (15) . t « i iu ! ta» m n ia 94151