SE531957C2 - Förfarande för lansning av syrgas vid en industriugn med konventionell brännare - Google Patents

Description

534 35? flamman blir varmare i närheten av ett ämne som skall värmas upp och mindre varm i närheten av en ugnsvägg.

För att uppnå stökiometrisk jämvikt måste mängden således lansad oxidant och mängden oxidant som tillförs genom bränna- ren balanseras mot mängden tillfört bränsle. Detta åstadkoms genom att bringa den mängd oxidant som tillförs av brännaren att minska, varvid ett stökiometriskt underskott bringas att uppstå i flamman omedelbart utanför brännarens munstycke.

Detta stökiometriska underskott balanseras dock av den lansa- de oxidanten vid det ställe där den lansade oxidantströmmen bringas att slå samman med flamman.

Ett problem med industriugnar med brännare som använder luft som oxidant är att deras effektivitet är relativt låg och deras effekt är relativt hög. Detta innebär att den förbruka- de effekten i termer av bränsle är relativt hög i förhållande till det nyttiga värmeutbyte som verkligen kan användas för att värma upp ugnsvolymen. En orsak till detta är att värme- energi går åt till att värma upp oxidantens innehåll av kvä- ve.

Ett annat problem är att den flamma som uppkommer i brännare som använder luft som oxidant producerar relativt stora mäng- der avgaser i form» av NOX-föreningar, på grund av de höga flamtemperaturerna. Detta är inte önskvärt, eftersom NOX- föreningar är negativt miljöpåverkande, och eftersom det ofta finns begränsningar på de volymer NOX-föreningar som får framställas i olika industriella processer.

Som lösning på dessa problem har så kallade oxyfuelbrännare föreslagits för användning i industriugnar. I oxyfuelbrännare används syrgas som oxidant. Sådana brännare erbjuder en högre 531 95? effektivitet vid lägre effekt, varför mindre bränsle krävs för att uppnå samma värmeutbyte i ugnen. Dessuton1 minskar mängden framställda NOK-föreningar.

Dock föreligger problemet att det är förknippat med avsevärda kostnader att byta ut en luftmatad brännare mot en oxyfuel- brännare i en industriugn. Dessutom är det svårt att upprätt- hålla en hög värmehomogenitet i hela ugnsvolymen vid använd- ning i stora industriugnar, eftersom konvektionen. minskar till följd av de mindre mängderna rökgaser som framställs vid de lägre driftseffekterna för oxyfuelbrännare. Följden blir en ojämn ugnstemperatur, med åtföljande ojämna produktions- egenskaper.

Ett annat lösningsförslag är att istället öka andelen syre i den tillförda luften. Detta har dock visat sig vara behäftat med andra problem.

Föreliggande uppfinning löser de ovan beskrivna problemen.

Således avser föreliggande uppfinning ett förfarande för att homogenisera värmefördelningen samt minska mängden NOX i förbränningsprodukterna vid användningen, av en industriugn som har minst en konventionell brännare som använder luft som oxidant, varvid minst en lans bringas att sättas in i ugnen, en oxidant innehållande syrgas bringas att strömma in i ugnen genom lansen och träffa brännarens flamma vid en viss punkt, och mängden syre som tillförs, tillförsel, dels genom brännarnas luft- dels genom lansningen av oxidant, bringas att stökiometriskt motsvara den mängd bränsle som tillförs genom brännarna, och utmärks av kombinationen att minst 50% av det tillförda syret bringas att tillföras genom lansningen av 534 95? oxidant och. att oxidanten bringas att strömma in i ugnen genom lansen med en hastighet av minst 200 m/s.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj, med hänvisning till exemplifierande utföringsformer av lansningsförfarandet i enlighet med uppfinningen, och med hänvisning till de bifo- gade ritningarna, där: Figur 1 är en översiktsvy över en industriugn med en brännare som använder luft som oxidant, varvid ugnen har utrustats med en oxidantlans i enlighet med förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

Figur 2a är en tvärsnittsvy över en industriugn som har ut- rustats med två oxidantlansar i enlighet med förfarandet enligt föreliggande uppfinning, längs med snittet I - I i Figur zb. _ Figur 2b är en tvärsnittsvy över en industriugn som har ut- rustats med tvà oxidantlansar i enlighet med förfarandet enligt föreliggande uppfinning, längs med snittet II - II i Figur 2a.

I figur l visas en roterande industriugn 1. Ugnen l värms upp med hjälp av en konventionell brännare 2, som använder natur- gas '7 som bränsle och luft 8 som oxidant. Det skall dock inses att bränslet kan vara vilket lämpligt bränsle som helst, såsom exempelvis olika flytande eller gasformiga kolväten.

Brännaren 2 har en associerad flamma 6 och är mon- terad i ett ugnslock 3, som är anordnat vid ugnens l ena ände. Genom en öppning i ugnens l andra ände leds förbrän- ningsprodukterna 9 ut ur ugnen. 531 95? Ugnen 1, vars invändiga diameter exempelvis kan vara ungefär 3,5 m och vars längd kan vara ungefär 12 m, kan användas för att smälta ut metalliskt aluminium ur så kallat dross, bestå- ende av en blandning av aluminium och aluminiumoxid. Ugnens 1 storlek gör att den mäste roteras för att bland annat upp- rätthålla en tillräckligt homogen temperaturfördelning i ugnens 1 volym. Det skall inses att uppfinningen inte bara är användbar för roterande ugnar, utan även kan användas för stationära ugnar och även för ugnar med andra användningsom- råden än bearbetning av dross.

Vid användning av ugnen 1 med den konventionella brännaren 2, utan lansningsförfarandet enligt föreliggande uppfinning, kommer stora mängder NOK-föreningar att uppkomma som en rest- produkt vid förbränningen av bränslet. Dessutom kommer ugnens l rotation, på grund av ugnsvolymens storlek, inte att räcka till för att skapa en tillräckligt homogen temperatur för alla önskade tillämpningar.

I enlighet med föreliggande uppfinning monteras en lans 4, genom ugnslocket 3 och in i ugnens l volym. Lansen 4 kan ha en inre diameter av 40 mm, och är i sin in i ugnen vettande ände utrustad med två, ifrån varandra, vid en vinkel av unge- fär lO°, vinklade utloppshål (inte visade), båda med en inre diameter av 15 mm. Lansen sticks in genom ett uppborrat hål (inte visat), som löper genom ugnslocket 3, och dess in i ugnen 1. vettande ändes yta bringas att vara väsentligen i nivå med ugnslockets 3 invändiga väggyta. Genom lansen 4, och in i ugnen l, bringas en oxidant, innehållande åtminstone 85 vikts% syrgas, att strömma. Oxidanten bringas att tillföras lansen 4 under ett övertryck av ungefär 4 bar, vilket får till följd att den bringas att strömma ut ur utloppshålen med en hastighet av ungefär 300 m/s. EftersonL utloppshålen är ¶0 531 95? vinklade ifrån varandra, kommer den resulterande strömmen 5 av oxidant inne i ugnen 1 att ha en spridning av ungefär 10°.

Strömmen 5 bringas träffa flamman 6 vid en punkt P, avstånd A ifrån brännaren 2. på ett Vid punkten P har strömmen 5 således hunnit sprida sig, så att den är bredare i förhållan- de till dess bredd vid lansens 4 utloppshål.

Att strömmen 5 av oxidant bringas att ”träffa” betyder häri att det närmaste avståndet mellan strömmen 5 av flamman 6 oxidant och flammans 6 centrumaxel bringas att vara så litet att åtminstone någon del av strömmen 5 och åtminstone någon del av flamman 6 får direkt kontakt med varandra vid den plats där avståndet mellan strömmen 5 och flamman 6 är som minst.

Eftersom ytterligare oxidant bringas att strömma in i ugnen 1 genom lansen 4, utöver den oxidant som redan strömmar in i ugnen 1 via brännaren 2, krävs det att brännarens 2 tillför- sel av oxidant justeras ned för att upprätthålla stökiomet- risk jämvikt mellan det tillförda bränslet och den sammanta- get tillförda oxidanten. Således bringas brännarens 2 till- försel av oxidant att justeras ned så att stökiometrisk jäm- vikt upprätthålls, beroende på mängden tillförd oxidant genom lansen 4. För att uppnå föreliggande uppfinnings fördelar krävs att minst 50% av det sammantaget tillförda syret bring- as att tillföras genom lansen 4. Företrädesvis bringas unge- fär 60% av syret att tillföras till ugnen genom lansen 4 och 40% av syret genom brännaren 2.

I ugnen l kan. ungefär 60% av syret bringas att tillföras genom den oxidant som tillförs genom lansen 4, i form av en oxidant med åtminstone 85 vikts% syrgas, och resten av syret bringas att tillföras som en del av den luft som tillförs . 531 S5? genom brännaren 2. Detta innebär exempelvis att om ungefär 890 mf/h syrgas bringas att tillföras genom lansen, bringas samtidigt ungefär 585 HF/h oxidant att tillföras genom brän- naren 2. Dessutom bringas i detta fall ungefär 700 nf/h na- turgas att tillföras genom brännaren 2, varvid stökiometrisk jämvikt uppnås för förbränningsreaktionen som helhet.

Det skall inses att det naturligtvis är möjligt att tillämpa föreliggande uppfinning på industriugnar med fler än en kon- ventionell brännare. I dessa fall bringas maximalt 50% av den sammantaget tillförda oxidanten att tillföras via brännarna, och resten av den tillförda oxidanten bringas att tillföras genom lansning.

Avståndet A väljs, beroende på aktuell tillämpning, flammans 6 längd etc., så att en tillräckligt stark turbulens uppnås inne i ugnsvolymen för att uppnå uppfinningens fördelar.

Företrädesvis väljs avståndet A till att vara mellan 1/4 och l/2 ugnens 1 totala invändiga längd, helst ungefär 1/3 av ugnens l totala invändiga längd.

När strömmen 5 av oxidant, med ett syrgasinnehåll av så myck- et som 50%, eller mer, av det totalt tillförda syret, bringas att träffa flamman 6 med hög hastighet, kraftig sålunda uppnås en recirkulering av förbränningsprodukter. I själva verket skapar den lansade strömmen 5 av oxidant ett under- tryck, som suger in förbränningsprodukter i flamman 6, varvid flamman 6 kommer att uppta en större volym. Detta medför att förbränningstemperaturen i flamman 6 faller till sådana nivå- er att uppkomsten av NOX-föreningar drastiskt minskar vid förbränningen, vilket är önskvärt. Dessutom har uppfinnaren kunnat konstatera effekten att lansningen av oxidant vid höga hastigheter skapar en sådan turbulens, och därmed konvektion, 531 55? inne i ugnsvolymen, att temperaturen i denna håller sig för- hållandevis homogen, och att driften blir jämn, användning i mycket stora industriugnar. även vid Vid användning i ugnen l kan föreliggande uppfinning tilläm- pas i tre olika faser: I den första fasen chargeras det kalla eller föruppvärmda materialet son: skall värmas i ugnen 1. I den andra fasen bringas brännaren 2 att drivas vid hög effekt, och dessutom bringas ytterligare oxidant att lansas in i ugnen l, under stökiometrisk jämvikt. Detta medför de fördelar, i termer av låga NOK-värden och god värmehomogenitet, som är förknippade med föreliggande uppfinning. När materialet är färdigvärmt, och endast underhållsvärme erfordras för att undvika att det uppvärmda materialet åter svalnar, inleds den tredje fasen.

Under denna tredje fas bringas lansningen av ytterligare oxidant att avbrytas, och andelen oxidant sonx bringas att tillföras genom brännaren 2 ökas, för att sålunda upprätthål- la den stökiometriska jämvikten. Brännarens 2 effekt sänks dessutom jämfört med under den andra fasen.

På detta sätt kan lansningen enligt föreliggande uppfinning vid användning tillsammans med en ugn 1 slås till eller från under olika produktionssteg, beroende på behovet av hög vär- mehomogenitet och låga NOK-värden, i kombination med behovet av hög eller låg uppvärmningseffekt.

Att montera in en lans 4, för lansning av oxidant in i ugns- kroppen, i en industriugn l med en brännare 2 som använder luft som oxidant, är dessutom förhållandevis billigt i jämfö- relse med att exempelvis installera en oxyfuelbrännare i en 531 55? sådan industriugn l, eftersom lansen 4 till exempel kan mon- teras genom ett uppborrat hål i ugnslocket 3.

Vid användningen av endast en lans tillsammans med en bränna- re är risken att problem uppstår med asymmetriska värmeför- delningar i flamman, såsom beskrivs ovan. Det är därför i vissa fall önskvärt att använda sig av flera samverkande lansar tillsammans med varje brännare. Figurerna 2a och 2b visar en industriugn 11, visad i två olika snitt med 90° vinkel i förhållande till varandra, med en konventionell brännare l2 och två sådana samverkande lansar l4a, l4b, är anordnade i ett lock 13 i ugnens ll ena ände. I detta fall bringas lansarna 14a, SOIU l4b att riktas så att avståndet mellan deras respektive strömmar l5a, l5b av oxidant är som minst i en punkt vid eller i närheten av en gemensam träffpunkt PP i brännarens 12 flamma l6, l5a, och så att de respektive strömmarna l5b är riktade delvis mot varandra, men inte omedelbart möts. l4a, Såsonx visas i Figurerna 2a och 2b, bringas lansarna l4b att riktas mot flamman l6 från var sitt håll, snett framåt i förhållande till brännarens ll huvudaxel, så att deras respektive strömmar l5a, l5b av' oxidant passerar på varsin sida av flamman 16, i utkanten av flamman l6 på varje respektive sida, där de strömmar i närheten av varandra, men i delvis motstående riktningar. På så vis kommer de att vä- sentligen, neutralisera eventuella termiska asymmetrier förbränningen i vid flamman 16 och samtidigt ytterligare öka turbulensen, och därmed även konvektionen, i ugnsvolymen genom att ge upphov till en spiralformad rörelse inne i ugns- volymen. Således uppnås föreliggande uppfinnings fördelar i termer av låga NOX-värden i kombination med hög värmehomoge- nitet, samtidigt som eventuella termiska asymmetrier undviks i flamman 6. 53% 35? I det fall flera lansar används i en ugn med flera konventio- nella brännare kan de lansade strömmarna av oxidant mycket väl bringas att träffa de olika flammorna i flera olika träffpunkter. Valet av brännar- och lansgeometri inne i ugnen beror således på den aktuella ugnstillämpningen.

Ovan har föredragna utföringsformer beskrivits. Emellertid är det uppenbart för fackmannen att många förändringar kan göras av de beskrivna utföringsformerna utan att fràngå uppfinning- ens tanke. Sålunda skall uppfinningen inte vara begränsad av de beskrivna utföringsformerna, utan snarare vara möjlig att variera inom omfattningen för de bifogade kraven.

Claims (1)

10 15 20 25 30 531 95? ll P .A T E N T K R. A. V Förfarande för att homogenisera värmefördelningen samt minska mängden NOX i förbränningsprodukterna vid använd- ningen av en industriugn (1) som har minst en konventio- nell brännare (2) som använder luft som oxidant, varvid minst en lans (4) bringas att sättas in i ugnen (1), en oxidant innehållande syrgas bringas att strömma in i ug- nen genom lansen (4) och träffa brännarens flamma (6) vid en viss punkt (P), och mängden syre som tillförs, dels genom brännarnas (2) lufttillförsel, dels genom lansning- en av oxidant, bringas att stökiometriskt motsvara den mängd bränsle som tillförs genom brännarna (2), k ä n - n e t e c k n a t a v kombinationen att minst 50% av det tillförda syret bringas att tillföras genom lansningen av oxidant och att oxidanten bringas att strömma in i ugnen (1) genom lansen (4) med en hastighet av minst 200 m/s. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t a v att minst två lansar (14a, l4b) används tillsammans med en viss brännare (12), och av att dessa anordnas i sådana respektive vinklar att de resulterande strömmarna (l5a, l5b) av oxidant riktas så att avståndet dem emellan är som minst i en punkt vid eller i närheten av en gemensam träffpunkt (PP) i brännarens (12) flamma (16), och så att de respektive strömmarna (15a, l5b) är riktade delvis mot varandra, men inte omedelbart möts. Förfarande enligt krav ]. eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att 'varje träffpunkt mellan. oxidantström (5; 15a, l5b) och flamma (6; 16) bringas att vara belägen på ett avstånd från den respektive brännaren (2: l2) av mellan

1. /4 och l/2 av ugnens (l; ll) totala invändiga längd._ 10 15 ET! 95? 12 Förfarande enligt krav l, 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a t a v att varje lans (4: 14) är anordnad så att den bringas att slås till eller ifrån beroende på önskemål, vid olika processteg, och att mängden tillfört syre från brännarnas (2: 12) lufttillförsel kontinuerligt bringas att stökiometriskt motsvara mängden tillfört bränsle, så att stökiometrisk jämvikt upprätthålls när lansningen slås till respektive från. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n a - t e c k n a t a v att den oxidant som bringas att till- föras genom lansning är syrgas med åtminstone 85 vikts% syre. Förfarande enligt något av' föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t a v att varje lans (4; 14) respektive myn- ning bringas att ligga i nivå med ugnens (1: ll) insida.