NO158238B - Fremgangsmaate for aa forlenge driftslevetiden til de oppvarmede vegger i en aapen brennovn samt en innretning for gjennomfoering av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden til de oppvarmede vegger i en åpen brennovn med omløpende flamme som i sin øvre del er utstyrt med innsprøytingsdyser som avgir en brennstoffstråle som er rettet nedover mot en brenngassstrøm, hvorved veggene oppviser et antall loddrette ledeelementer som avvekslende er festet til overdelen og underdelen av veggen på en slik måte at strømmen av brennstoff og brenngass som går gjennom veggen avvekslende rettes nedenfra oppover og ovenfra nedover.

Oppfinnelsen angår også en innretning for gjennomføring av den ovenfor angitte fremgangsmåte.

Avlukkene i samme rekke er forbundet med hverandre ved enden for å tillate at gassene kan strømme gjennom i sekvens. Produktene som skal oppvarmes fylles inn i rommene og varme overføres ved overføring gjennom veggene i avlukkene. Slike ovner benyttes spesielt for brenning av karbonholdige gjenstander slik som f. eks. karbonanode for aluminiumelek-trolyseceller. I hvert rom er de karbonholdige gjenstander beskyttet fra oksydasjon ved et tykt sjikt av småkornet karbonholdig materiale som dekker dem og fyller alle frie rom. Rommene forblir åpne i den øvre ende.

En av de alvorlige vanskeligheter man må regne med ved å arbeide med slike ovner er den for på reproduserbar måte å oppnå en cyklus som omfatter oppvarming og avkjøling av gjenstandene for å muliggjøre at de brennes under optimale betingelser. Temperaturcyklusen som skal legges på gjenstanden for å brenne dem er generelt velkjent, men vanskeligheten oppstår når man skal sikre at gjenstanden som er anordnet i forskjellige områder av hvert rom virkelig underkastes en temperaturcyklus som er nær den optimale.

Når man brenner karbonanoder, er det spesielt viktig at de bringes til en maksimal temperatur på minst 1100"C for å oppnå de ønskede fysikalsk-kjemiske karakteristika. Enhver overoppvarming av anodene i de varmeste områder kan forårsake at de fysikalske egenskaper for anoden modifiseres sammenlig-net med egenskapene for anoder som brennes ved lavere temperaturer. Resultatet av dette er en heterogenitet når det gjelder egenskapene for de forskjellige satser av brente anoder som fremstilles og det er kjent at dette har ytterst ufordelaktige konsekvenser for driftsforholdene i aluminium-elektrolysecellene der anodene deretter skal brukes. I tillegg kan ukontrollert overoppvarming forårsake akselerert nedbryting av den ildfaste utforing, noe som resulterer i hurtig deformering av skilleveggene slik at levetiden for disse i vesentlig grad reduseres.

Generelt blir avlukkene oppvarmet i området som kalles brenn-området ved brennstoffinnsprøyting fra innretningen anordnet i den øvre del av disse avlukker.

En stråle av brennstoff som tung brendselsolje eller en brennbar gass innføres således i en strøm av forvarmet forbrenningsunderstøttende gass der strålen av brendsel eller gass orienteres i strømningsretningen for den forbrennings-understøttende gass.

I mange tilfeller inkluderer avlukkene avlederplater for å bringe gassene til å strømme i siksak først nedover og så oppover og så videre.

Erfaring har vist at denne oppvarmingsmetode av avlukkene forårsaket overoppvarming i de nedre deler. Som allerede angitt resulterer slik overoppvarming på den ene side i en heterogenitet når det gjelder de fysikalske egenskaper for anoden som brennes i kammerne og på den annen side i akselerert deformering av avlukkene i de sterkest belastede områder, noe som resulterer 1 en meget vesentlig reduksjon av levetiden .

Søkeren har derfor søkt en vei for å unngå slik overoppvarming av avlukkene i de nedre områder og også søkt å oppnå forbedret fordeling med henblikk på deformeringsbelastninger i skilleveggene for å forlenge deres levetid i vesentlig grad.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte type og denne karakteriseres ved at man for å forlengde lengden til den ved dysemunningen dannede flamme anordner dysen i det minste under en del av oppvarmingstiden av veggene over en sone der brenngasstrømmen sirkulerer i motstrøm til det innsprøytede brennstoff og flammen, i retning oppover.

Oppfinnelsen angår som nevnt ovenfor også en innretning for gjennomføring av denne fremgangsmåte og denne karakteriseres ved at den oppviser en injektor for innnmating av brennstoff og som befinner seg mellom to på hverandre følgende ledeelementer som er rettet nedover og forskyvbar på en slik måte at brennstoffstrålen befinner seg i medstrøm eller i motstrøm til brenngasstrømmen.

Oppvarmingsapparaturen for en åpen sirkulasjonsfyrt brennovn, gjenstanden for oppfinnelsen, gjør det mulig å unngå eller å redusere overoppvarming av avlukkene i de nedre områder. Den omfatter midler for innsprøyting av et flytende, gassformig eller sogar fast brennstoff inn i en strøm av forbrennings-understøttende gass idet brennstoffstrålen eller -strålene orienteres i motstrøm, dvs. i motsatt retning av strømnings-retningen for den forbrenningsunderstøttende gass.

Den følgende beskrivelse og de ledsagende tegninger vil øke forståelsen av trekkene ved apparaturen for oppvarming av åpen sirkulasjonsbrennovner som generelt brukes og trekkene ved den nye oppvarmingsapparatur som er gjenstanden for oppfinnelsen. Slik det vil fremgå angår oppfinnelsen også en fremgangsmåte som tillater at deformering av elementene som utgjør skilleveggene fordeles bedre, noe som øker levetiden.

Fig. 1 er et planriss av en del av en åpen sirkulasjons

brennovn av kjent type,

Fig. 2 er et tverrsnitt av anordningen i ovnen i fig. 1, Fig. 3 er et tverrsnitt av det vanlige arrangement for injektorene i et avlukke i en sirkulasjonsbrennovn av kjent type, og Fig. 4 er et tverrsnitt av motstrøms-arrangementet ifølge foreliggende oppfinnelse av injektorene i avlukkene vist i Fig. 3.

US-PS 2 699 931 beskriver som angitt i Fig. 1 (som delvis reproduserer Fig. 1 i det angitte patent) en sirkulasjonsbrennovn omfattende 60 kamre eller seksjoner som er anordnet i to parallelle rekker på 30 kamre, hvorav 28 er vist i tegningene. Hvert kammer omfatter 6 rom anordnet ved siden av hverandre slik som ved 1, hvori gjenstandene som skal brennes blir anbragt, dekket med et fyllmateriale. Mellom rommene er det anordnet hule rom som antydet ved 2 i linje på en slik måte at gassene kan passere i sekvens gjennom disse rom som utgjør en del av samme rekke. Ved enden tillater en sløyfeledning 3 at gasskretsene kan forbindes med hverandre fra en rekke til en annen.

I drift gjennomføres cyklusen som omfatter oppvarming og deretter avkjøling av gjenstanden ved hjelp av et system som angis som et sirkulasjonsoppvarmingssystem og som anvendes på en gruppe kamre anordnet i serie, hvori et visst antall kamre er i forvarmingsfasen, noen i brennfasen og til slutt noen i avkjølingsfasen.

Lokaliseringen av en slik gruppe i arrangementet av kamre som utgjør ovnen, bestemmes av de respektive forbindelsespunkter for kaldluftinnløpskanalen K, rekken av oppvarmingsbrennere L og til slutt avtrekningskanalen M for brent gass. Etter en oppholdstid i størrelsesorden 16-48 timer flyttes forbindel-sespunktene for luftinntakskanalen K og avgassutslippskanalen M samt rekken av brennere L, et kammer. Denne forskyvning skjer i strømningsretningen for luft og brent gass. Som vist i Fig. 1, kan et antall sirkulerende oppvarmingsretninger passere gjennom kamrene i samme ovn i samme hastighet.

Fig. 2 viser et tverrsnitt av det som skjer i en rekke av skillerom som utgjør en del av samme gruppe kamre. Man ser at i det minste en del av den kalde luft som innføres via kanalen 4 på skillepunktet mellom rommene A og B passerer gjennom rommet B deretter de to følgende rom C og D som tilsvarer kammeret som er i avkjølingsperioden, hvorved den progressivt oppvarmes. På det øyeblikk der strømmen av luft som således er forvarmet til en temperatur på ca. 500° C beveger seg fra rom D til rom E, bringer en injektor 5 en strøm av brennstoff inn i luftstrømmen i samme retning som luftens strømningsretning. Brennstoffstrømmen passerer inn i rommet E, brenner ved kontakt med den meget varme luft som beveger seg gjennom rommet. Senere passerer forbrennings-gassene gjennom skillerommene til kamrene F, G og H og bringer disse til forvarming og trer til slutt ut via kanalen 6 som bringer gassen til en skorsten.

Man skjønner at med et arrangement av brennere som vist i Fig. 2, er det meget vanskelig å oppnå noen grad av homogeni-tet med henblikk på temperaturen i rommet der forbrennings-prosessen skjer, tatt i betraktning den relative tranghet for rommet som er reservert for gassene som skal strømme i rommet. Videre angis i det ovenfor angitte patent at for å oppnå bedre temperaturfordeling, er det mulig å benytte ledeplatearrangementer i rommene for å muliggjøre at gassene sirkuleres langs en ønsket vei. Fig. 3 viser et hult rom med vegger 7 som i sine prinsipper tilsvarer rommene som vist i Fig. 1 og 2 og som er slik anordnet at man fremmer varmeveksling mellom veggene og gassene som strømmer gjennom det indre av rommet. Hensikten er å bringe gassen til å feie over veggene i rommet, over hele lengden og høyden av disse. For dette formål er det i forbindelse med veggene 7 anordnet vertikale ledelementer 8, 9 og 10 som er festet mellom de to hovedvegger i rommet. Ledeelementene tvinger derfor gasstrømmen fra det foregående rom og som kommer til det angjeldende via forbindelsesmunnin-gen 11, å strømme i siksak forbi ledeplatearrangementet som angitt ved pilene, for til slutt å tre ut via forbindelses-munningen 12 som utgjør forbindelsen til det derpå følgende rom.

Injektoren 13 som går gjennom dekslet 14 i rommet forstøver en nedadrettet brendselsoljestrøm som tennes ved kontakt med den varme luft som etter å ha kommet inn i rommet via åpningen 11 tvinges nedover av ledeelementet 8 og veggen 15 1 cellen. Avhengig av egenskapene for brendselsoljen som benyttes, forsettes forbrenningen over en kortere eller lengre strømningsvei for gassene og deretter fortsetter de varme gasser sin siksakstrøm til utløpsmunningen 12. Et temperaturregulerende termopar 16 er vanligvis anordnet utenfor den direkte flammelinje, bak ledeelementet 8, nær toppen av cellen. I mange tilfelle er for å forbedre fordelingen av varmevirkningen en andre injektor 17 anordnet i det området der gasstrømmen beveger seg nedover igjen mot bunnen av rommet mellom ledeelementene 9 og 10. Denne injeketor reguleres i sin tur av et termopar 18 som er adskilt fra brenneren ved elementet 10. I enkelte tilfeller utelates termoparet 16 og det er da termoparet 18 som regulerer de to injektorer 13 og 17. Prøver har vist at et visst arrangement med henblikk på ledeelementene og også injektorene og deres reguleringstermopar gir relativt gunstige resultater hva angår effektivitetsnivået for varmevekslingen mellom de varme gasser og produktene i rommene, ved varmeveksling gjennom celleveggene.

Imidlertid oppsto det alvorlige vanskeligheter i forbindelse med å oppnå homogen temperaturfordellng i vertikal retning, mere spesielt når man brukte en brendselsolje for oppvarming-en. Vanligvis finnes de høyeste temperaturer på bunnen av rommet og de laveste temperaturer på toppen. Det er klart at under disse omstendigheter vil gjenstander som befinner seg på bunnen av rommet underkastes en høyere brenngrad enn de på toppen. På den annen side hva angår skilleveggene er det funnet at det foreligger en meget alvorlig deformering på grunn av kryp i de ildfaste utforinger nær bunnen, dvs. i det området der de ildfaste utforinger bærer belastningen av hele den ildfaste stabel .

Hvis slike deformeringer skal unngås ved å redusere temperaturen, er det funnet at i mange tilfeller vil temperaturen som nås i øvre områder av rommet ikke lenger være tilstrekke-lig til å gi riktig brenning av produktene. Temperaturmålinger i rommene ved hjelp av termopar for registrering av temperaturen samtidig i et antall punkter i rommene, har gitt temperaturforskjeller på opptil 150°C eller mer mellom toppen og bunnen av rommet, det de maksimale temperaturer alltid nås ved bunnen av rommene i de områder som befinner seg i linje med injektoraksene. Forsøk har vært gjort på å finne en mulig måte for i vesentlig grad å redusere temperaturfor-skjellene som opptrer mellom det øvre og nedre området i rommet uten å foreta vesentlige modifikasjoner i konstruksjo-nen av rommene, en struktur som er resultat av en progressiv optimalisering på basis av lang erfaring.

Apparaturen og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen tillater å overvinne dette problemet på en spesielt enkel og effektiv måte.

Oppvarmingstemperaturen for en åpen sirkulasjonsbrennovn ifølge oppfinnelsen omfatter hule rom 19, 25, hvori det strømmer en forbrenningsunderstøttende gasstrøm, og injek-sjonsinnretninger 26, 29 for innføring av brennstoff i strømmen av forbrenningsunderstøttende gass, og omfatter også minst en injektor 26, 29 som er rettet på en slik måte at strømmen av brennstoff injiseres i motstrøm til strømmen av den forbrenningsunderstøttende gass.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden for oppvarmingsrommene i en åpen sirkulasjonsbrennovn hvori lengden av flammen som dannes ved utløpet av brennstoffinjektoren eller -injektorene anordnet i den øvre del av rommene avkortes ved å lede strømmen av forbrennings-understøttende gass i hvert av rommene på en slik måte at bevegelsesretningen er motsatt strømningsretningen for strålen eller strålene av brennstoff i det minste en del av oppvarmingstiden for rommene.

Fig. 4 viser uten begrensning en utførelsesform av den nye apparatur ifølge oppfinnelsen. Rommet 19 hvori det er anordnet ledeelementer 20, 21 og 22 er anordnet på samme måte som når det gjelder rommet avgrenset av veggene 7, og det strømmer gjennom en gass som følger en siksakvei og som kommer inn i rommet via åpningen 23 og deretter strømmer gjennom rommet i den retning som er antydet ved piler til utløpsåpningen 24 som forbinder rommet 19 med rommet 25. En brennstoffinjektor 26 som går gjennom dekslet 27 for rommet 19 retter en strøm av tung brendselsolje nedover i området mellom ledeelementene 20 og 21 som er det rom der gassen strømmer oppover. Termoparet 28 som regulerer og styrer temperaturen er anordnet i den øvre del av rommet mellom ledeelementene 21 og 22 på en slik måte at det på grunn av den lave posisjon for ledeelementet 21 nåes av minst en del av flammen fra forbrenning av brennstoff fra injektoren 26.

Som det også vises i fig. 4 er det mulig at en andre injektor 29 er anordnet i samme rom i området mellom ledeelementet 22 og veggen 30 som skiller rommet 19 fra det derpå følgende rom 25. Som vist i Fig. 4, er den andre injektor også anordnet slik at retningen av brennstoffstrålen fra injektoren beveger seg motstrøms gasstrømmen som beveger seg oppover. Drift av den andre injektor 29 styres og/eller reguleres av et andre termopar 31 som er anordnet i den øvre del av det følgende rom 25 i kontakt med strømmen av gass fra rommet 19 via åpningen 24.

Praktiske driftsforsøk ble gjennomført på ovner omfattende kammer utstyrt med rom av den type som er vist i Fig. 3 og 4 og omfattende enten konvensjonelle innretninger for injisering av brennstoff til rommene i brennkamrene slik det som er vist i Fig. 3, eller motstrømslnnsprøyting ifølge oppfinnelsen som vist i Flg. 4. Dette benyttede brennstoff var en tung brenselsolje. Rommene var ca. 4,5 m høye og 5 meter lange med en indre bredde på 0,250 meter.

Sammenligningsforsøk med henblikk på brenning av karbonholdige gjenstander viste at hvis alle andre ting var like, ble temperaturen i veggene i rommene meget bedre fordelt ved bruk av den nye motstrømsinjisering.

Temperaturmålinger ble tatt nær aksen for injektorene i de ildfaste veggene i rommene, øverst, halvveis ned og ved bunnen.

Den følgende tabell gir de oppnådde resultater:

Det fremgår at ved konvensjonelt arrangement nådde bunnen av rommet en midlere temperatur på 1295°C. I virkeligheten overskred imidlertid temperaturen 1300°C, noe som forårsaket deformering på grunn av krypfenomenet, noe som resultert i en meget vesentlig reduksjon av levetiden. På toppen av rommet var den midlere temperatur 120° lavere, mens temperaturen i midten kun var noe lavere enn temperaturen ved bunnen. Man finner altså at temperaturen ved bunnen er mer enn 120° høyere enn temperaturen som fikseres som referanse for kontrollen, hvorved kontrollen mister all den forventede nøyaktighet.

Når man i motsetning til dette arbeider etter motstrømsmeto-den, var temperaturen i rommene ved toppen og bunnen i det vesentlige like, mens temperaturen halvveis ned var ca. 100° høyere. En .slik temperaturfordeling er meget bedre. Således befinner den nedre del av rommet der foringsbelastningen er størst, seg ved en temperatur som er lavere enn midthøydetem-peraturen og det kan derfor oppnås en meget forbedret motstand mot kryping. Videre befinner den øvre del av rommet, og som vanligvis er for kaldt, seg ved en temperatur som er minst lik temperaturen ved bunnen, noe som er spesielt fordelaktig med henblikk på enhetlig brenning.

Til slutt er det funnet at arrangementet som benyttes med henblikk på kontrolltermoparene, eksponeres disse til en del av injektorflammene, noe som i vesentlig grad øker nøyaktig-heten og følsomheten for kontrollutstyret.

Prøver har vist at ved å bruke apparaturen ifølge oppfinnelsen oppnår man at levetiden for rommene i slike ovner kan økes med ca. 30$. Således krever deformering av rommene på grunn av kryping at de vanligvis erstattes i intervaller i størrelsesorden 2 år ved brenning av karbonholdige produkter. Ved bruk av apparaturen ifølge oppfinnelsen muliggjøres det en midlere økning på fra 6-8 måneder i driftslevetiden for rommene, noe som representerer betydelige besparelser.

Denne fordel ved motstrømsinnsprøytning er spesielt viktig når man bruker tunge brendselsol jer av den type som er prøvet. Når slike brendselsoljer sprøytes inn i strømnings-retningen for gassene, er overoppvarming av bunnen i rommene spesielt alvorlig. Dette skyldes den langsomme forbrenning for slike brendselsoljer som har en meget høy fordampnings-temperatur. Virkningen av motstrømsprinsippet som betydelig forsinker den nedadgående bevegelse for brendselsoljedråpene, er da spesielt åpenbar. Når man på den annen side benytter brendselsolje, blir en stor del av varmen utsendt ved stråling fra flammen.

Når man benytter et konvensjonelt arrangement, vil termoparet som er adskilt fra flammene ved en ledeplate, ikke ta hensyn til strålingen som direkte påvirker de omgivende blokker. I motsetning til dette vil man ved motstrømsinjisering ekspon-ere termoparet til flammene slik at det direkte kan motta strålingsvarme derfra.

Fordelen av motstrømsinjisering ifølge oppfinnelsen observeres altså selv om den er mindre vesentlig også ved injisering av lettere brendselsoljer og på en atskillig mindre tydelig måte når man injiserer gassformige brennstoffer slik som f. eks. naturgass. Når man benytter naturgass, opptrer ikke problemet med langsom fordamping av hydrokarbondråper og temperaturfordelingen som observeres i vertikal retning er mere regulær.

Avhengig . av typen gassinjektor som benyttes, kan imidlertid flammen gi en mengde av strålingsvarme som er så høy som den som dannes ved en brendselsoljeflamme. I dette tilfellet, er posisjonen av termoparet som gir eksponering til flammen, noe som tillates ved motstrømsmetoden ifølge oppfinnelsen, av avgjørende betydning med henblikk på nøyaktighet og følsomhet ved kontrollen.

Når man benytter en gassinjektor som i en eller annen stilling, gir en temperaturfordeling som ikke er meget forskjellig, er det imidlertid for å utvide driftslevetiden for rommene et attraktivt forslag å benytte de to forbrenn-ingsmåter på samme tid idet injektorene anordnes alternerende i strømningsretningen og motstrøms denne.

Når ovnen omfatter en enkel oppvarmingslnnretning, modifiseres posisjonen for injektorene med regulære mellomrom. Når det gjelder en ovn med et antall brennanordninger, er det mulig at en drives systematisk i en posisjon og den andre i motsatt. Den del av rommene som er mest tilbøyelig til deformering er den del som befinner seg direkte under injektorene. Det angitte arrangement tillater da at virkningen av brennerne fordeles over hele rommet. Dette resulterer i en deformeringsgrad som er sterkt redusert.

Andre utførelsesformer av motstrømsinjisering for en åpen sirkulasjonsbrennovn kan også tenkes uten å falle utenfor oppfinnelsens ramme. Likeledes kan det være innenfor oppfinnelsens ramme å gjennomføre en rekke prosesser som benytter apparaturen under betingelser som tillater forbedret temperaturfordeling i slike ovner med lavere deformeringshas-tighet for oppvarmingsrommene eller forbedret fordeling med henblikk på deformering av disse rom, noe som resulterer i lengre levetid. Alle slike prosesser ligger innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden til de oppvarmede vegger (7) i en åpen brennovn med omløpende flamme som i sin øvre del er utstyrt med innsprøytningsdyser (13) som avgir en brennstoff stråle som er rettet nedover mot en brenngasstrøm, hvorved veggene (7) oppviser et antall loddrette ledeelementer (8, 9, 10) som avvekslende er festet til overdelen og underdelen av veggen på en slik måte at strømmen av brennstoff og brenngass som går gjennom veggen avvekslende rettes nedenfra oppover og ovenfra nedover, karakterisert ved at man for å forlenge lengden til den ved dysemunningen (26, 29) dannede flamme anordner dysen i det minste under en del av oppvarmingstiden i veggene (7) over en sone der brenngasstrømmen sirkulerer i motstrøm til det innsprøytede brennstoff og flammen, i retning oppover.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man under veggenes (7) levetid og for å utligne slitasjen på veggene (7), forskyver dysene slik at de avvekslende befinner seg over en sone der brenngasstrømmen sirkulerer i motstrøm til brennstoffet og avvekslende over en sone der brenngasstrømmen beveger seg i medstrøm med brennstoffet.

3. Innretning for gjennomføring av en fremgangsmåte for å forlenge driftslevetiden til de oppvarmede vegger (7) i en åpen brennovn med omløpende flamme som i sin øvre del er utstyrt med innsprøytningsdyser (13) som avgir en brennstoffstråle som er rettet nedover mot en brenngasstrøm, hvorved veggene (7) oppviser et antall loddrette ledeelementer (8, 9, 10) som avvekslende er festet til overdelen og underdelen av veggen på en slik måte at strømmen av brennstoff og brenngass som går gjennom veggen avvekslende rettes nedenfra oppover og ovenfra nedover, karakterisert ved at den oppviser en injektor (26, 29) for innmating av brennstoff og som befinner seg mellom to på hverandre følgende ledeelementer (20, 21, 22) som er rettet nedover og forskyvbar på en slik måte at brennstoffstrålen befinner seg i medstrøm eller i motstrøm til brenngasstrømmen.

4. Innretning ifølge krav 3,karakterisert ved at den oppviser en innretning (28) for kontroll og/eller regulering av temperaturen og som er anordnet mellom to ledeelementer (20, 21) i den øvre del av et område nær området der dysene (26) er anordnet, på en slik måte at den er i direkte sikt av i det minste en del av flammen som dannes ved dysemunningen (26, 29).