WO2022242946A1 - Camera module for a burner - Google Patents

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Publication number
WO2022242946A1
WO2022242946A1 PCT/EP2022/058355 EP2022058355W WO2022242946A1 WO 2022242946 A1 WO2022242946 A1 WO 2022242946A1 EP 2022058355 W EP2022058355 W EP 2022058355W WO 2022242946 A1 WO2022242946 A1 WO 2022242946A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
burner
chamber
camera module
nozzle
melting furnace
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/058355
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Björn Klumbies
Günter Gesche
Rodrigo TORRES
Original Assignee
Sms Group Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sms Group Gmbh filed Critical Sms Group Gmbh
Priority to CN202280034215.8A priority Critical patent/CN117321338A/en
Priority to EP22719827.2A priority patent/EP4341613A1/en
Publication of WO2022242946A1 publication Critical patent/WO2022242946A1/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/725—Protection against flame failure by using flame detection devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/20—Camera viewing

Definitions

  • the present invention relates to a camera module for use with a burner, a burner for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace, and a method for operating the 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, in particular automatic, flame monitoring.
  • a burner with a cylindrical first chamber which comprises a camera arranged behind a glass pane at its end arranged opposite to the combustion chamber.
  • the camera is connected to a monitor that an operator can use to remotely monitor the process.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved burner compared to the prior art, in particular to provide a burner with which an outlet area of the burner as well as the flame chamber of the shaft melting furnace can be monitored automatically and manually. Furthermore, the object of the present invention is compared to the prior art Technology to provide improved method for operating such a burner.
  • the object is achieved by a camera module having the features of patent claim 1, by a burner having the features of patent claim 2, and by a method having the features of patent claim 11.
  • the camera module according to the invention is intended for use with a burner which is typically used in a shaft melting furnace, in particular in a copper shaft melting furnace, in order to melt down a material to be melted, such as copper cathodes, etc.
  • the camera module according to the invention is arranged on the burner or an observation device of the burner and comprises a housing with a first opening and a second opening which is arranged axially opposite the first opening and is closed with a sight glass; a beam splitter disposed in an optical line of sight extending axially through the housing between the two openings; and a camera, for example a CCD camera, the objective of which is arranged perpendicularly to the optical viewing axis and aligned with the beam splitter.
  • the beam splitter advantageously comprises a semitransparent splitter mirror which is arranged at an angle of 45° and which can be mounted in a fixed position on a holder element, for example.
  • a 45° beam splitter prism can also be used.
  • the camera module according to the invention can be used to automatically monitor the outlet area of the burner and the flame chamber of the shaft melting furnace and continuously evaluate it by connecting it to a computer-aided unit, with the results then being fed to a burner control loop. Process disruptions can thus be identified more quickly and production downtimes can be effectively reduced by avoiding major accidents.
  • the structure of the camera module according to the invention simultaneously allows manual monitoring, which can be carried out by an operator as an alternative or in addition, for example to verify a process fault identified via the camera of the camera module.
  • the invention includes a burner for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace.
  • the burner according to the invention comprises a monitoring device with an optical viewing axis extending through a first chamber, a burner nozzle and a radiant tube of the burner, via which a combustion chamber of the shaft melting furnace can be monitored; and a camera module according to the invention arranged on the observation device.
  • the burner according to the invention comprises a monitoring device with an optical viewing axis extending through a first chamber, a second chamber, a burner nozzle and a radiant tube of the burner, via which a combustion chamber of the shaft melting furnace can be monitored; and a camera module according to the invention arranged on the observation device.
  • the observation device comprises a tube which extends axially through the first chamber, with a first end of the tube being arranged outside the burner and being connected to the camera module, preferably via an adapter device of the camera module.
  • a second end of the tube is arranged in a central opening of a mixing nozzle, which is positioned in an outlet opening of the first chamber and is locked, for example, by means of a bayonet lock.
  • the outlet opening is preferably arranged at a distal end of a conically tapering section of the first chamber.
  • the first chamber includes an inlet opening through which an oxygen-containing gas, such as air, oxygen-enriched air or pure oxygen, the Burner can be fed, and a fuel gas line which opens into the first chamber and via which a fuel gas can be fed to the burner.
  • an oxygen-containing gas such as air, oxygen-enriched air or pure oxygen
  • a fuel gas line arranged coaxially around the tube of the observation device is particularly advantageous. It is therefore preferably provided 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 fuel gas line By arranging the fuel gas line in the conical section of the first chamber, which serves as a collection chamber for the oxygen-containing gas, 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. The ultimate result of this is that the permanent loss of pressure 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.
  • 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. This is particularly preferred provided that the hydrogen was obtained using renewable energies.
  • 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 here via the specific mixing geometry, which is advantageously formed by a plurality of blades arranged in the ring-shaped mixing chamber.
  • the ring-shaped mixing chamber has an outer ring with preferably a first set of blades arranged radially on the outside and an inner ring with preferably a second set of blades arranged radially on the inside, the two sets of blades being arranged in opposite directions to one another.
  • the blades of the first and second set are arranged relative to each other such that each blade of the first set forms three shear planes with three blades of the second set or each blade of the second set with three blades of the first set.
  • 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.
  • 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.
  • an ignition ionization candle is provided, which is arranged just behind the edge and can advantageously be continuously monitored via 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 method for operating the burner according to the invention, with the camera module continuously monitoring an inner surface of the radiant tube by comparing the detected individual recordings with a reference recording and, if an actual value exceeds a setpoint value, an automatic acoustic and/or visual warning message is issued.
  • an automatic control system is additionally activated, which throttles the burner output of the burner.
  • clogging of the jet pipe with the melted material in particular with copper particles, can be identified at an early stage and appropriate countermeasures can be initiated.
  • the burner output can be throttled at the burner, as a result of which the flame becomes shorter and heats up an edge area of the lining of a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace. This melts the adhesions.
  • a predetermined value preferably a value of more than 90 percent by area
  • the power is increased again.
  • Composition of the fuel gas mixture is manipulated, for example by setting it to a lambda value of 1.
  • the camera module can also be used to continuously monitor the melt material level by comparing the detected individual recordings with a reference recording and if an actual value exceeds a target value, an automatic acoustic and/or visual warning message is output.
  • the camera module records the level of a reflective surface of a so-called “smelting material lake", in particular a “copper lake”, as such a clogging of the burner can lead to time-consuming manual cleaning. If the level of melted material exceeds a critical value, the burner outputs of, for example, an upper row of burners can be automatically reduced in order to reduce the amount of melted material that flows in the shaft melting furnace.
  • the brightness of the combustion chamber of the shaft melting furnace in the area in front of the respective burner can also be monitored using the camera module by comparing the detected individual recordings with a reference recording and/or at least one individual recording of another burner arranged in the shaft melting furnace and with an automatic acoustic and/or visual warning message is issued when an actual value exceeds and/or falls below a target value. If a difference in brightness is identified, a maintenance request can be sent to maintenance, for example. Alternatively, the composition of the fuel gas mixture can be adjusted and the identified brightness can be corrected based on this.
  • FIG. 1 shows an embodiment variant of the camera module according to the invention in a sectional view
  • FIG. 2 shows an embodiment of the burner according to the invention in a perspective view
  • FIG. 3 shows the embodiment of the burner according to the invention shown in FIG. 2 in a sectional view
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of the mixing nozzle in a perspective view
  • FIG. 6 shows the embodiment variant of the mixing nozzle shown in FIG. 5 in a sectional view
  • FIG. 8 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIG. 7 in a sectional view
  • FIG. 9 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIGS. 7 and 8 in a front view.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment variant of the camera module 10 according to the invention, which is intended for use with a burner 1 as shown in FIG.
  • the camera module 10 includes a housing 101 , which in the present case is formed from a first housing part 102 and a second housing part 103 .
  • the first housing part 102 has a first opening 104 and a second opening 105 which is arranged axially opposite the first opening 104 and is closed by a sight glass 106 .
  • the camera module 10 On the outside of the first housing part 102, the camera module 10 also has an adapter device 107 which is arranged around the first opening 104 and is firmly connected to the first housing part 102, via which the camera module 10 can be attached to an observation device 9 of the burner 1 (see Figure 2 ).
  • a beam splitter 108 is provided in the interior of the first housing part 102 and is arranged in an optical viewing axis 109 extending axially between the two openings 104 , 105 .
  • the beam splitter 108 comprises a semitransparent splitter mirror 110 arranged at an angle of 45° and fixed in position on a holder element 111 . As can also be seen from the illustration in FIG.
  • the camera module 10 also includes a camera 112, the lens 113 of which is arranged perpendicularly to the optical viewing axis 109 and is aligned with the beam splitter 108, in particular the splitter mirror 110. Due to the construction of the camera module 10 according to the invention, an operator can view and analyze the furnace situation parallel to the camera 112 .
  • FIG. 2 shows a perspective view of an embodiment variant of the burner 1 according to the invention, which can basically be used in all metallurgical melting units in which visual monitoring of the combustion chamber 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 be, for example, a hydrocarbon-containing gas such as natural gas or methane, or hydrogen 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. 3), and a radiant tube 8.
  • the radiant tube 8 consists of silicon carbide.
  • the burner 1 also has an observation device 9 with the camera module 10 shown in FIG. 1, which can be used to monitor the combustion chamber 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 sockets 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 Nm 3 /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 mounted rotated by 90° steps, depending on the installation conditions, the effect of the burner 1 being unaffected by the axial structure.
  • Figure 3 shows the embodiment variant of the burner 1 according to the invention shown in Figure 2 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 includes next a main section 15, in which the inlet opening 14 opens, the conically tapering 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 4).
  • Each of the nozzle openings 23 is aligned at an angle of 40° to 50° in relation to an optical 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 fills the first chamber 4 flows through.
  • the fuel gas mixture premixed in this way in front of the mixing nozzle 19 then flows through the mixing nozzle 19.
  • the tube 22 of the observation device 9 which extends axially through the first chamber 4 has a first end 24 .
  • the first end 24 of the tube 22 is arranged outside the burner 1 and is connected to the camera module 10 via the adapter device 107 (see FIGS. 1 and 2).
  • the camera module 10 can be used to automatically monitor the combustion chamber via the optical line of sight 109, which extends in the present case through the first housing part 102, the first chamber 4, the mixing nozzle 19, the second chamber 6, the burner nozzle 7 and the jet pipe 8 extends into the interior of the shaft melting furnace.
  • 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. 4).
  • the mixing nozzle 19 is shown 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 comprises a first set of radially outward vanes 32 carried by the outer ring 31 and a second set of radially inward vanes 34 carried by the inner ring 30 and opposed to the first set.
  • 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 has three blades 34 of the second set, and each blade 34 of the second set has three blades 32 of the first set, each with three forms shear planes.
  • each of the plurality of vanes 32, 34 has a slightly curved shape in cross section.
  • an embodiment of 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. 9).
  • the individual guide vanes 36 have an arcuate bend for this purpose, as a result of which the combustible gas mixture is first driven to the center when flowing through the front area of the burner nozzle 7 before it passes through the channel 37 .
  • This is essentially defined by the distal end sections of the individual guide vanes 36 (FIG. 9).
  • 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 .

Abstract

The present invention relates to a camera module (10) for use with a burner (1) for a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace, the camera module (10) being arranged on the burner (1) or an observation device (9) of the burner (1), comprising a housing (101) having a first opening (104) and a second opening (105), which is arranged axially opposite the first opening (104) and is closed off by an inspection glass (106); a beam splitter (108) arranged on an optical viewing axis (109) extending axially through the housing (101) between the two openings (104, 105); and also a camera (112), the lens (113) of which is arranged perpendicularly to the viewing axis (109) and is aligned with the beam splitter (108), and also a burner (1).

Description

Kameramodul für einen Brenner Camera module for a burner
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kameramodul zur Verwendung mit einem Brenner, einen Brenner für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, sowie ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brenners. The present invention relates to a camera module for use with a burner, a burner for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace, and a method for operating the burner according to the invention.
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 mit einer automatischen Überwachung des Flammraums unverzichtbar. Whether in electrical engineering and electronics, in heating and air conditioning technology or in the automotive industry - the use of copper and copper alloys has become indispensable in modern life, which means that the worldwide demand for this precious metal is constantly increasing. However, global demand is countered by increased safety and environmental requirements for production. Among other things, powerful burners with automatic monitoring of the combustion chamber are indispensable for this.
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, insbesondere automatische Flammenüberwachung. Burners for a shaft melting furnace are known in principle from the prior art. For example, 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, in particular automatic, flame monitoring.
Aus der chinesischen Offenlegungsschrift CN106545858 A ist zudem ein Brenner mit einer zylinderförmig ausgebildeten ersten Kammer bekannt, die an ihrem zum Brennraum gegenüberliegend angeordneten Ende eine hinter einer Glasscheibe angeordnete Kamera umfasst. Die Kamera ist hierbei mit einem Monitor verbunden, über den ein Bediener den Prozess aus der Ferne beobachten kann. From the Chinese patent application CN106545858 A, a burner with a cylindrical first chamber is also known, which comprises a camera arranged behind a glass pane at its end arranged opposite to the combustion chamber. The camera is connected to a monitor that an operator can use to remotely monitor the process.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brenner bereitzustellen, insbesondere einen Brenner bereitzustellen, mit dem ein Austrittsbereich des Brenners als auch der Flammraum des Schachtschmelzofens automatisch und manuell überwacht werden kann. Des Weiteren ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Brenners bereitzustellen. The object of the present invention is therefore to provide an improved burner compared to the prior art, in particular to provide a burner with which an outlet area of the burner as well as the flame chamber of the shaft melting furnace can be monitored automatically and manually. Furthermore, the object of the present invention is compared to the prior art Technology to provide improved method for operating such a burner.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Kameramodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch einen Brenner mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. According to the invention, the object is achieved by a camera module having the features of patent claim 1, by a burner having the features of patent claim 2, and by a method having the features of patent claim 11.
Das erfindungsgemäße Kameramodul ist zur Verwendung mit einem Brenner vorgesehen, der typischerweise in einem Schachtschmelzofen, insbesondere in einem Kupferschachtschmelzofen eingesetzt wird, um ein Schmelzgut, wie beispielsweise Kupferkathoden etc. einzuschmelzen. Hierzu ist das erfindungsgemäße Kameramodul an dem Brenner oder einer Beobachtungseinrichtung des Brenners angeordnet und umfasst ein Gehäuse mit einer ersten Öffnung und einer der ersten Öffnung axial gegenüberliegend angeordneten zweiten Öffnung, die mit einem Schauglas verschlossen ist; einen Strahlteiler, der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen durch das Gehäuse axial erstreckenden optischen Sichtachse angeordnet ist; sowie eine Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, deren Objektiv senkrecht zu der optischen Sichtachse angeordnet und auf den Strahlteiler ausgerichtet ist. Der Strahlteiler umfasst hierzu vorteilhafterweise einen in einem Winkel von 45° angeordneten halbdurchlässigen Teilerspiegel, der beispielsweise an einem Halterelement positionsfest montiert sein kann. Alternativ kann auch ein 45°-Strahlteilerprisma verwendet werden. The camera module according to the invention is intended for use with a burner which is typically used in a shaft melting furnace, in particular in a copper shaft melting furnace, in order to melt down a material to be melted, such as copper cathodes, etc. For this purpose, the camera module according to the invention is arranged on the burner or an observation device of the burner and comprises a housing with a first opening and a second opening which is arranged axially opposite the first opening and is closed with a sight glass; a beam splitter disposed in an optical line of sight extending axially through the housing between the two openings; and a camera, for example a CCD camera, the objective of which is arranged perpendicularly to the optical viewing axis and aligned with the beam splitter. For this purpose, the beam splitter advantageously comprises a semitransparent splitter mirror which is arranged at an angle of 45° and which can be mounted in a fixed position on a holder element, for example. Alternatively, a 45° beam splitter prism can also be used.
Durch das erfindungsgemäße Kameramodul kann zum einen der Austrittsbereich des Brenners als auch der Flammraum des Schachtschmelzofens automatisch überwacht und durch eine Anbindung an eine rechnergestützte Einheit kontinuierlich ausgewertet werden, wobei die Ergebnisse anschließend einem Brenner-Regelkreis zugeführt werden können. Prozessstörungen können somit schneller identifiziert und Produktionsausfallzeiten durch Vermeidung größerer Havarien wirksam reduziert werden. Der erfindungsgemäße Aufbau des Kameramoduls erlaubt zum anderen gleichzeitig eine manuelle Überwachung, die durch einen Bediener alternativ oder ergänzend durchgeführt werden kann, um beispielsweise eine über die Kamera des Kameramoduls identifizierte Prozessstörung zu verifizieren. In gleicher weise umfasst die Erfindung einen Brenner für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen. Der erfindungsgemäße Brenner umfasst gemäß einer ersten Ausführungsvariante eine Beobachtungseinrichtung mit einer sich durch eine erste Kammer, eine Brennerdüse und ein Strahlrohr des Brenners erstreckenden optischen Sichtachse, über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; sowie ein an der Beobachtungseinrichtung angeordnetes erfindungsgemäßes Kameramodul. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante umfasst der erfindungsgemäße Brenner eine Beobachtungseinrichtung mit einer sich durch eine erste Kammer, eine zweite Kammer, eine Brennerdüse und ein Strahlrohr des Brenners erstreckenden optischen Sichtachse, über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; sowie ein an der Beobachtungseinrichtung angeordnetes erfindungsgemäßes Kameramodul. The camera module according to the invention can be used to automatically monitor the outlet area of the burner and the flame chamber of the shaft melting furnace and continuously evaluate it by connecting it to a computer-aided unit, with the results then being fed to a burner control loop. Process disruptions can thus be identified more quickly and production downtimes can be effectively reduced by avoiding major accidents. On the other hand, the structure of the camera module according to the invention simultaneously allows manual monitoring, which can be carried out by an operator as an alternative or in addition, for example to verify a process fault identified via the camera of the camera module. In the same way, the invention includes a burner for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace. According to a first embodiment variant, the burner according to the invention comprises a monitoring device with an optical viewing axis extending through a first chamber, a burner nozzle and a radiant tube of the burner, via which a combustion chamber of the shaft melting furnace can be monitored; and a camera module according to the invention arranged on the observation device. According to a second embodiment variant, the burner according to the invention comprises a monitoring device with an optical viewing axis extending through a first chamber, a second chamber, a burner nozzle and a radiant tube of the burner, via which a combustion chamber of the shaft melting furnace can be monitored; and a camera module according to the invention arranged on the observation device.
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. Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependently formulated claims. The features listed individually in the dependent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further refinements of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred configurations of the invention being presented.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst die Beobachtungseinrichtung ein Rohr, welches sich axial durch die erste Kammer erstreckt, wobei ein erstes Ende des Rohrs außerhalb des Brenners angeordnet ist und mit dem Kameramodul, vorzugsweise über eine Adaptervorrichtung des Kameramoduls, verbunden ist. Ein zweites Ende des Rohrs ist in einer zentrischen Öffnung einer Mischdüse angeordnet, die in einer Austrittsöffnung der ersten Kammer positioniert ist, und beispielsweise mittels eines Bajonettverschlusses arretiert ist. Die Austrittsöffnung ist hierbei bevorzugt an einem distalen Ende eines sich konischen verjüngenden Teilabschnitts der ersten Kammer angeordnet. In an advantageous embodiment variant, the observation device comprises a tube which extends axially through the first chamber, with a first end of the tube being arranged outside the burner and being connected to the camera module, preferably via an adapter device of the camera module. A second end of the tube is arranged in a central opening of a mixing nozzle, which is positioned in an outlet opening of the first chamber and is locked, for example, by means of a bayonet lock. In this case, the outlet opening is preferably arranged at a distal end of a conically tapering section of the first chamber.
Ferner umfasst die erste Kammer eine Eintrittsöffnung, über die ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff, dem Brenner zuführbar ist, und eine in der ersten Kammer mündende Brenngasleitung, über die ein Brenngas dem Brenner zuführbar ist. Furthermore, the first chamber includes an inlet opening through which an oxygen-containing gas, such as air, oxygen-enriched air or pure oxygen, the Burner can be fed, and a fuel gas line which opens into the first chamber and via which a fuel gas can be fed to the burner.
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 vorgesehen, 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. From a flow dynamic point of view, it has been shown that a fuel gas line arranged coaxially around the tube of the observation device is particularly advantageous. It is therefore preferably provided 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.
Durch die Anordnung der Brenngasleitung in dem konischen Teilabschnitt 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. By arranging the fuel gas line in the conical section of the first chamber, which serves as a collection chamber for the oxygen-containing gas, 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. The ultimate result of this is that the permanent loss of pressure 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.
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 CO2- Bepreisung flexibel reagiert werden kann. Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass der Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien gewonnen worden ist. 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. This is particularly preferred provided that the hydrogen was obtained using renewable energies.
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 ringförmig ausgebildeten Mischkammer angeordneten Schaufeln gebildet ist. Die ringförmig ausgebildete Mischkammer weist einen Außenring mit vorzugsweise einem ersten Satz radial außen angeordneter Schaufeln und einen Innenring mit vorzugsweise einem zweiten Satz radial innen angeordneter Schaufeln auf, wobei die beiden Schaufelsätze gegenläufig zueinander angeordnet sind. Die Schaufeln des ersten und des zweiten Satzes sind derart zueinander angeordnet, 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. As already explained, 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 here via the specific mixing geometry, which is advantageously formed by a plurality of blades arranged in the ring-shaped mixing chamber. The ring-shaped mixing chamber has an outer ring with preferably a first set of blades arranged radially on the outside and an inner ring with preferably a second set of blades arranged radially on the inside, the two sets of blades being arranged in opposite directions to one another. The blades of the first and second set are arranged relative to each other such that each blade of the first set forms three shear planes with three blades of the second set or each blade of the second set with three blades of the first set. What is achieved with this arrangement is that the combustible gas mixture flowing over the blade surfaces of the blades arranged radially on the outside impacts the blade surfaces of the blades arranged radially on the inside, which are arranged essentially perpendicularly thereto, and is thereby mixed with the combustible gas mixture flowing over the blade surfaces of the blades arranged radially on the inside, and vice versa . This multiple blending of the already pre-mixed combustible gas mixture achieves a homogeneous mixing of the two gases with a low permanent pressure drop at the same time.
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 optischen Sichtachse bewirkt, dass ein homogenes Geschwindigkeitsprofil über den gesamten Strahlrohr-Querschnitt realisiert wird und das Brenngasgemisch vor dem Auftreffen auf ein einzuschmelzendes Schmelzgut vollständig reagieren kann, so dass es zu keinen reaktionslosen Strähnen kommt.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. In this way, while maintaining the optical line of sight at the same time, a homogeneous velocity profile is realized over the entire cross-section of the jet pipe and the combustible gas mixture can react completely before it hits a material to be melted, so that there are no unreacted strands.
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. Zum Zünden des Brenners ist eine Zündionisationskerze vorgesehen, die kurz hinter der Kante angeordnet ist, und vorteilhafterweise über eine lonisationsüberwachung kontinuierlich überwachbar ist. 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 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. To ignite the burner, an ignition ionization candle is provided, which is arranged just behind the edge and can advantageously be continuously monitored via 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.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brenners, wobei mittels des Kameramoduls eine Rohrinnenfläche des Strahlrohrs kontinuierlich überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass bei einer Überschreitung des Istwertes von dem Sollwert zusätzlich eine Regelautomatik aktiviert wird, die die Brennerleistung des Brenners drosselt. In a further aspect, the present invention also relates to a method for operating the burner according to the invention, with the camera module continuously monitoring an inner surface of the radiant tube by comparing the detected individual recordings with a reference recording and, if an actual value exceeds a setpoint value, an automatic acoustic and/or visual warning message is issued. In this context, it is preferably provided that when the actual value exceeds the desired value, an automatic control system is additionally activated, which throttles the burner output of the burner.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Zusetzen des Strahlrohrs mit dem Schmelzgut, insbesondere mit Kupferpartikeln, frühzeitig identifiziert und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Sofern die Regelautomatik aktiviert ist, kann die Brennerleistung an dem Brenner gedrosselt werden, wodurch die Flamme kürzer wird und einen Randbereich der Ausmauerung eines Schachtschmelzofens, insbesondere eines Kupferschachtschmelzofens, stärker aufheizt. Dadurch werden die Anhaftungen abgeschmolzen. Sobald die Rohrinnenfläche wieder einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise einen Wert von über 90 Flächenprozent-% erreicht hat, wird die Leistung wieder angehoben. Um die Temperatur der Flamme zu erhöhen, kann ferner vorgesehen sein, dass Zusammensetzung des Brenngasgemisches manipuliert wird, beispielsweise indem diese auf eine Lambda-Wert von 1 gesetzt wird. With the method according to the invention, clogging of the jet pipe with the melted material, in particular with copper particles, can be identified at an early stage and appropriate countermeasures can be initiated. If the automatic control is activated, the burner output can be throttled at the burner, as a result of which the flame becomes shorter and heats up an edge area of the lining of a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace. This melts the adhesions. As soon as the inside surface of the tube has again reached a predetermined value, preferably a value of more than 90 percent by area, the power is increased again. In order to increase the temperature of the flame, it can also be provided that Composition of the fuel gas mixture is manipulated, for example by setting it to a lambda value of 1.
In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens kann mittels des Kameramoduls zusätzlich eine Schmelzgutpegelüberwachung kontinuierlich durchgeführt werden, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. Hierbei erfasst das Kameramodul den Pegel einer spiegelnden Oberfläche eines sog. „Schmelzgutsees“, insbesondere eines „Kupfersees“, da eine solche zu einer Verstopfung des Brenners und somit zu einer aufwendigen manuellen Reinigung führen kann. Sofern der Schmelzgutpegel einen kritischen Wert überschreitet, kann die Brennerleistungen von beispielsweise einer oberen Brennerreihe automatisch reduziert werden, um die Menge des nachfließenden Schmelzgutes in dem Schachtschmelzofen zu reduzieren. Die In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann zudem mittels des Kameramoduls die Helligkeit des Flammraums des Schachtschmelzofens in dem Bereich vor dem jeweiligen Brenner überwacht werden, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme und/oder zumindest einer Einzelaufnahme eines anderen in dem Schachtschmelzofen angeordneten Brenners verglichen werden und bei einer Über- und/oder Unterschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. Sofern ein Helligkeitsunterscheid identifiziert wird, kann beispielsweise eine Wartungsaufforderung an die Instandhaltung versendet werden. Alternativ kann die Zusammensetzung des Brenngasgemisches angepasst und anhand dieser die identifizierte Helligkeit ausgeregelt werden. In a further advantageous embodiment of the method, the camera module can also be used to continuously monitor the melt material level by comparing the detected individual recordings with a reference recording and if an actual value exceeds a target value, an automatic acoustic and/or visual warning message is output. Here, the camera module records the level of a reflective surface of a so-called "smelting material lake", in particular a "copper lake", as such a clogging of the burner can lead to time-consuming manual cleaning. If the level of melted material exceeds a critical value, the burner outputs of, for example, an upper row of burners can be automatically reduced in order to reduce the amount of melted material that flows in the shaft melting furnace. In a further advantageous embodiment variant, the brightness of the combustion chamber of the shaft melting furnace in the area in front of the respective burner can also be monitored using the camera module by comparing the detected individual recordings with a reference recording and/or at least one individual recording of another burner arranged in the shaft melting furnace and with an automatic acoustic and/or visual warning message is issued when an actual value exceeds and/or falls below a target value. If a difference in brightness is identified, a maintenance request can be sent to maintenance, for example. Alternatively, the composition of the fuel gas mixture can be adjusted and the identified brightness can be corrected based on this.
Figurenbeschreibung character description
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: The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the figures. It should be pointed out that the invention should not be limited by the exemplary embodiments shown. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings of the present description and/or figures. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same reference symbols designate the same objects, so that explanations from other figures can be used as a supplement if necessary. Show it:
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: The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the figures. It should be pointed out that the invention should not be limited by the exemplary embodiments shown. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings from the present description and/or figures. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same reference symbols designate the same objects, so that explanations from other figures can be used as a supplement if necessary. Show it:
Fig. 1 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kameramoduls in einer Schnittdarstellung, 1 shows an embodiment variant of the camera module according to the invention in a sectional view,
Fig. 2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 3 die in Figur 2 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners in einer Schnittdarstellung, 2 shows an embodiment of the burner according to the invention in a perspective view, FIG. 3 shows the embodiment of the burner according to the invention shown in FIG. 2 in a sectional view,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Rohrs mit der Brenngasleitung in einer perspektivischen Darstellung, 4 shows a variant embodiment of the pipe with the fuel gas line in a perspective representation,
Fig. 5 eine Ausführungsvariante der Mischdüse in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 6 die in Figur 5 gezeigte Ausführungsvariante der Mischdüse in einer Schnittdarstellung, 5 shows an embodiment variant of the mixing nozzle in a perspective view, FIG. 6 shows the embodiment variant of the mixing nozzle shown in FIG. 5 in a sectional view,
Fig. 7 eine Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer perspektivischen Darstellung, 7 shows an embodiment variant of the burner nozzle in a perspective representation,
Fig. 8 die in Figur 7 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Schnittdarstellung, und FIG. 8 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIG. 7 in a sectional view, and
Fig. 9 die in den Figur 7 und 8 gezeigte Ausführungsvariante der Brennerdüse in einer Frontdarstellung. In Figur 1 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kameramoduls 10 in einer Schnittdarstellung gezeigt, welches zur Verwendung mit einem Brenner 1 , wie in Figur 2 gezeigt, vorgesehen ist. Das Kameramodul 10 umfasst ein Gehäuse 101 , welches vorliegend aus einem ersten Gehäuseteil 102 und einem zweiten Gehäuseteil 103 gebildet ist. Das erste Gehäuseteil 102 weist eine erste Öffnung 104 und eine der ersten Öffnung 104 axial gegenüberliegend angeordnete zweite Öffnung 105 auf, die mit einem Schauglas 106 verschlossen ist. An der Außenseite des ersten Gehäuseteils 102 weist das Kameramodul 10 ferner eine um die erste Öffnung 104 angeordnete und mit dem ersten Gehäuseteil 102 fest verbundene Adaptervorrichtung 107 auf, über die das Kameramodul 10 an einer Beobachtungseinrichtung 9 des Brenners 1 angebracht werden kann (siehe Figur 2). Im inneren des ersten Gehäuseteils 102 ist ein Strahlteiler 108 vorgesehen, der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen 104, 105 axial erstreckenden optischen Sichtachse 109 angeordnet ist. Der Strahlteiler 108 umfasst einen in einem Winkel von 45° angeordneten halbdurchlässigen Teilerspiegel 110, der an einem Halterelement 111 positionsfest montiert ist. Wie anhand der Darstellung in Figur 1 weiterhin erkennbar, umfasst das Kameramodul 10 zudem eine Kamera 112, deren Objektiv 113 senkrecht zu der optischen Sichtachse 109 angeordnet und auf den Strahlteiler 108, insbesondere den Teilerspiegel 110 ausgerichtet ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Kameramoduls 10 kann ein Bediener die Ofensituation, parallel zu der Kamera 112, betrachten und analysieren. 9 shows the embodiment variant of the burner nozzle shown in FIGS. 7 and 8 in a front view. FIG. 1 shows a sectional view of an embodiment variant of the camera module 10 according to the invention, which is intended for use with a burner 1 as shown in FIG. The camera module 10 includes a housing 101 , which in the present case is formed from a first housing part 102 and a second housing part 103 . The first housing part 102 has a first opening 104 and a second opening 105 which is arranged axially opposite the first opening 104 and is closed by a sight glass 106 . On the outside of the first housing part 102, the camera module 10 also has an adapter device 107 which is arranged around the first opening 104 and is firmly connected to the first housing part 102, via which the camera module 10 can be attached to an observation device 9 of the burner 1 (see Figure 2 ). A beam splitter 108 is provided in the interior of the first housing part 102 and is arranged in an optical viewing axis 109 extending axially between the two openings 104 , 105 . The beam splitter 108 comprises a semitransparent splitter mirror 110 arranged at an angle of 45° and fixed in position on a holder element 111 . As can also be seen from the illustration in FIG. 1, the camera module 10 also includes a camera 112, the lens 113 of which is arranged perpendicularly to the optical viewing axis 109 and is aligned with the beam splitter 108, in particular the splitter mirror 110. Due to the construction of the camera module 10 according to the invention, an operator can view and analyze the furnace situation parallel to the camera 112 .
In Figur 2 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. FIG. 2 shows a perspective view of an embodiment variant of the burner 1 according to the invention, which can basically be used in all metallurgical melting units in which visual monitoring of the combustion chamber 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.
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. 3), sowie ein Strahlrohr 8. Das Strahlrohr 8 besteht vorliegend aus Siliziumcarbid. Im hinteren Teil weist der Brenner 1 zudem eine Beobachtungseinrichtung 9 mit dem in Figur 1 gezeigten Kameramodul 10 auf, über die eine visuelle Brennraumüberwachung erfolgen kann. Wie anhand der Darstellung in Figur 2 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. 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 be, for example, a hydrocarbon-containing gas such as natural gas or methane, or hydrogen mixture thereof. Furthermore, 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. 3), and a radiant tube 8. In the present case, the radiant tube 8 consists of silicon carbide. In the rear part, the burner 1 also has an observation device 9 with the camera module 10 shown in FIG. 1, which can be used to monitor the combustion chamber visually. As can be seen from the representation in FIG. For example, the volume flows and/or the composition of the oxygen-containing gas or the fuel gas mixture can be detected via the two measuring sockets 11 , 12 . Furthermore, 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 Nm 3 /h and has a pressure loss of only 90 mbar.
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. 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.
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 Wrkung des Brenners 1 nicht beeinflusst wird. 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 mounted rotated by 90° steps, depending on the installation conditions, the effect of the burner 1 being unaffected by the axial structure.
Figur 3 zeigt die in Figur 2 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brenners 1 in einer Schnittdarstellung, jedoch ohne das Kameramodul 10. Figure 3 shows the embodiment variant of the burner 1 according to the invention shown in Figure 2 in a sectional view, but without the camera module 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 7 bis 9 näher erläutert. On the one hand, 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 includes next a main section 15, in which the inlet opening 14 opens, the conically tapering section 5, which has an outlet opening 16 arranged at its distal end. 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. In the present case, the burner nozzle 7 is produced from steel by means of an additive manufacturing process and is explained in more detail in FIGS.
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. In the present case, 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 .
Wie anhand der Darstellung in Figur 3 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 4). Jede der Düsenöffnungen 23 ist dabei in einem Wnkel von 40° bis 50° bezogen auf eine optische 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. As can be seen from the illustration in Figure 3, 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 4). Each of the nozzle openings 23 is aligned at an angle of 40° to 50° in relation to an optical 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 fills the first chamber 4 flows through. The fuel gas mixture premixed in this way in front of the mixing nozzle 19 then flows through the mixing nozzle 19.
Das Rohr 22 der Beobachtungseinrichtung 9, welches sich axial durch die erste Kammer 4 erstreckt, weist ein erstes Ende 24 auf. Das erste Ende 24 des Rohrs 22 ist außerhalb des Brenners 1 angeordnet und mit dem Kameramodul 10, über die Adaptervorrichtung 107 verbunden (siehe Figur 1 und 2). Über das Kameramodul 10 kann zum einen die automatische Brennraumüberwachung über die optische Sichtachse 109 erfolgen, die sich vorliegend durch das erste Gehäuseteil 102, die erste Kammer 4, die Mischdüse 19, die zweite Kammer 6, die Brennerdüse 7 sowie das Strahlrohr 8 in den Schachtschmelzofeninnenraum hinein erstreckt. Zusätzlich kann ein Bediener über das Schauglas 106 des Kameramoduls 10 entlang derselben optischen Sichtachse 109 in den Schachtschmelzofeninnenraum schauen, um von der Kamera 112 nicht identifizierte Störungen zu identifizieren und/oder von der Kamera 112 identifizierte Störungen zu verifizieren. 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 4). The tube 22 of the observation device 9 which extends axially through the first chamber 4 has a first end 24 . The first end 24 of the tube 22 is arranged outside the burner 1 and is connected to the camera module 10 via the adapter device 107 (see FIGS. 1 and 2). The camera module 10 can be used to automatically monitor the combustion chamber via the optical line of sight 109, which extends in the present case through the first housing part 102, the first chamber 4, the mixing nozzle 19, the second chamber 6, the burner nozzle 7 and the jet pipe 8 extends into the interior of the shaft melting furnace. In addition, an operator can look into the interior of the shaft melting furnace via the sight glass 106 of the camera module 10 along the same optical line of sight 109 in order to identify faults not identified by the camera 112 and/or to verify faults identified by the camera 112 . Furthermore, 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. 4).
In den Figuren 5 und 6 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 jeweils 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. We weiterhin anhand der Figur 6 erkennbar, weist jede der Mehrzahl von Schaufeln 32, 34 im Querschnitt eine leicht gebogene Form auf. In den Figuren 7 bis 9 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 9). Wie anhand der Darstellung in Figur 8 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 9). 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. In FIGS. 5 and 6, the mixing nozzle 19 is shown 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. In the embodiment variant shown here, 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. More specifically, the mixing chamber 20 comprises a first set of radially outward vanes 32 carried by the outer ring 31 and a second set of radially inward vanes 34 carried by the inner ring 30 and opposed to the first set. 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 has three blades 34 of the second set, and each blade 34 of the second set has three blades 32 of the first set, each with three forms shear planes. In other words, the combustible gas mixture flowing over the blade surfaces 33 of the blades 32 arranged radially on the outside is directed onto the blade surfaces 35 of the blades 34 arranged radially on the inside, which are arranged essentially perpendicular thereto Mixed fuel gas mixture and vice versa. As can also be seen from FIG. 6, each of the plurality of vanes 32, 34 has a slightly curved shape in cross section. In the figures 7 to 9 an embodiment of 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. 9). As can be seen from the illustration in FIG. 8, the individual guide vanes 36 have an arcuate bend for this purpose, as a result of which the combustible gas mixture is first driven to the center when flowing through the front area of the burner nozzle 7 before it passes through the channel 37 . This is essentially defined by the distal end sections of the individual guide vanes 36 (FIG. 9). Directly behind it in the direction of flow, 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 .
Bezugszeichenliste Reference List
1 Brenner 1 burner
2 erster Stutzen 2 first sock
3 zweiter Stutzen 4 erste Kammer 3 second nozzle 4 first chamber
5 konischer Teilabschnitt 5 conical section
6 zweite Kammer 6 second chamber
7 Brennerdüse 7 burner nozzle
8 Strahlrohr 9 Beobachtungseinrichtung 8 jet tube 9 observation device
10 Kameramodul 10 camera module
11 erster Messstutzen 11 first test point
12 zweiter Messstutzen 12 second test point
13 Zündionisationskerze 14 Eintrittsöffnung 13 ignition ionization candle 14 inlet opening
15 Hauptabschnitt 15 main section
16 Austrittsöffnung 16 exit port
17 erstes Ende der zweiten Kammer17 first end of second chamber
18 zweites Ende der zweiten Kammer 19 Mischdüse 18 second end of the second chamber 19 mixing nozzle
20 Mischkammer 20 mixing chamber
21 Brenngasleitung 21 fuel gas line
22 Rohr 22 tube
23 Düsenöffnungen 24 erstes Ende des Rohrs 23 nozzle openings 24 first end of tube
25 Schauglas 25 sight glass
26 zweites Ende des Rohrs 26 second end of the tube
27 zentrische Öffnung 27 centric opening
28 Sichtachse 29 Bajonettverschluss 28 Line of sight 29 Bayonet catch
30 Innenring 30 inner ring
31 Außenring 32 erster Satz Schaufeln 31 outer ring 32 first set of blades
33 Schaufelfläche radial äußerer Schaufeln 33 blade surface of radially outer blades
34 zweiter Satz Schaufeln 34 second set of blades
35 Schaufelfläche radial innerer Schaufeln 36 Leitschaufeln 35 blade area of radially inner blades 36 guide vanes
37 Kanal 37 channel
38 konisch verjüngende Austrittsöffnung Brennerdüse38 conically tapering outlet orifice burner nozzle
39 Stirnfläche / Kante 39 face / edge
40 Ausnehmungen 41 Kranösen 40 recesses 41 lifting eyes
101 Gehäuse 101 housing
102 erstes Gehäusteil 102 first housing part
103 zweites Gehäuseteil 103 second housing part
104 erste Öffnung 105 zweite Öffnung 104 first opening 105 second opening
106 Schauglas Kameramodul 106 sight glass camera module
107 Adaptervorrichtung 107 adapter device
108 Strahlteiler 108 beamsplitter
109 optische Sichtachse 110 Teilerspiegel 109 optical line of sight 110 splitter mirror
111 Halterelement 111 holder element
112 Kamera 112 camera
113 Objektiv 113 lens

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Kameramodul (10) zur Verwendung mit einem Brenner (1) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere einen Kupferschachtschmelzofen, wobei das Kameramodul (10) an dem Brenner (1) oder einer Beobachtungseinrichtung (9) des Brenners (1) angeordnet ist, umfassend ein Gehäuse (101) mit einer ersten Öffnung (104) und einer der ersten Öffnung (104) axial gegenüberliegend angeordneten zweiten Öffnung (105), die mit einem Schauglas (106) verschlossen ist; einen Strahlteiler (108), der in einer sich zwischen den beiden Öffnungen (104, 105) durch das Gehäuse (101) axial erstreckenden optischen Sichtachse (109) angeordnet ist; sowie eine Kamera (112), deren Objektiv (113) senkrecht zur Sichtachse (109) angeordnet und auf den Strahlteiler (108) ausgerichtet ist. 1. Camera module (10) for use with a burner (1) for a shaft melting furnace, in particular a copper shaft melting furnace, the camera module (10) being arranged on the burner (1) or a monitoring device (9) of the burner (1), comprising a Housing (101) having a first opening (104) and a second opening (105) which is arranged axially opposite the first opening (104) and is closed by a sight glass (106); a beam splitter (108) disposed in an optical line of sight (109) extending axially through said housing (101) between said two ports (104,105); and a camera (112) whose lens (113) is arranged perpendicularly to the viewing axis (109) and is aligned with the beam splitter (108).
2. Brenner (1 ) für einen Schachtschmelzofen, insbesondere für einen Kupferschachtschmelzofen, umfassend eine Beobachtungseinrichtung (9) mit einer sich durch eine erste Kammer (4), ggf. eine zweite Kammer (6), eine Brennerdüse (7) und ein Strahlrohr (8) des Brenners (1) erstreckenden Sichtachse (109), über die ein Flammraum des Schachtschmelzofens überwachbar ist; und ein an der Beobachtungseinrichtung (9) angeordnetes Kameramodul (10) nach Anspruch 1. 2. Burner (1) for a shaft melting furnace, in particular for a copper shaft melting furnace, comprising an observation device (9) with a first chamber (4), possibly a second chamber (6), a burner nozzle (7) and a radiant tube ( 8) the viewing axis (109) extending along the burner (1), via which a combustion chamber of the shaft melting furnace can be monitored; and a camera module (10) arranged on the observation device (9) according to claim 1.
3. Brenner (1) nach Anspruch 2, 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 mit dem Kameramodul (10) verbunden ist, und ein zweites Ende (26) des Rohrs (22) in einer zentrischen Öffnung (27) einer Mischdüse (19) angeordnet ist, die in einer Austrittsöffnung (16) der ersten Kammer (4) positioniert ist. A burner (1) according to claim 2, wherein the observation means (9) comprises a tube (22) extending axially through the first chamber (4), a first end (24) of the tube (22) being outside the burner (1) and is connected to the camera module (10), and a second end (26) of the tube (22) is arranged in a central opening (27) of a mixing nozzle (19) which is in an outlet opening (16) of the first chamber (4) is positioned.
4. Brenner (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Kammer (4) eine Eintrittsöffnung (14) und eine in der ersten Kammer (4) mündende Brenngasleitung (21) umfasst, und die Austrittsöffnung (16) an einem distalen Ende eines sich konisch verjüngenden Teilabschnitts (5) der ersten Kammer (4) angeordnet ist. 4. Burner (1) according to claim 2 or 3, wherein the first chamber (4) comprises an inlet opening (14) and a fuel gas line (21) opening into the first chamber (4), and the outlet opening (16) at a distal end of a conically tapering section (5) of the first chamber (4).
5. Brenner (1) nach Anspruch 4, 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. 5. Burner (1) according to claim 4, wherein the combustion gas line (21) is arranged coaxially around the pipe (22) of the observation device (9) and at its end oriented towards the mixing nozzle (19) comprises a plurality of nozzle openings (23) which are preferably distributed over the circumference.
6. Brenner (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei die Mischdüse (19) eine ringförmig ausgebildete Mischkammer (20) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (32, 34) umfasst. 6. Burner (1) according to any one of the preceding claims 3 to 5, wherein the mixing nozzle (19) comprises an annular mixing chamber (20) with a plurality of blades (32, 34).
7. Brenner (1) nach Anspruch 6, wobei die ringförmige 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. The combustor (1) of claim 6, wherein the annular mixing chamber (20) includes a first set of radially outwardly disposed vanes (32) and a second set of radially inwardly disposed vanes (34), the vanes (32,34) of both sets are arranged opposite to each other.
8. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei die Brennerdüse (7) eine Mehrzahl von Leitschaufeln (36) umfasst, die vorzugsweise in einem vorderen Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet sind. 8. Burner (1) according to one of the preceding claims 2 to 7, wherein the burner nozzle (7) comprises a plurality of vanes (36) which are preferably arranged in a front region of the burner nozzle (7).
9. Brenner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei die Brennerdüse (7) eine konisch verjüngende Austrittsöffnung (38) umfasst, die vorzugsweise in einem hinteren Bereich der Brennerdüse (7) angeordnet ist. 9. Burner (1) according to one of the preceding claims 2 to 8, wherein the burner nozzle (7) comprises a conically tapering outlet opening (38) which is preferably arranged in a rear region of the burner nozzle (7).
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. 10. Burner (1) according to claim 9, wherein the conically tapering outlet opening (38) has an edge (39) with a jagged structure, in particular one provided with recesses (40).
11. Verfahren zum Betreiben eines Brenners (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, wobei mittels des Kameramoduls (1) eine Rohrinnenfläche () des Strahlrohrs (8) kontinuierlich überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. 11. Method for operating a burner (1) according to one of the preceding claims 2 to 10, wherein the camera module (1) continuously monitors an inner surface () of the radiant tube (8) by comparing the detected individual images with a reference image and if an actual value exceeds a target value, an automatic acoustic and/or visual warning message is issued.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei bei einer Überschreitung des Istwertes von dem Sollwert zusätzlich eine Regelautomatik aktiviert wird, die die Brennerleistung des Brenners (1) drosselt. 12. The method according to claim 11, wherein when the actual value is exceeded by the setpoint, an automatic control system is additionally activated, which throttles the burner output of the burner (1).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei mittels des Kameramoduls (10) zusätzlich eine Schmelzgutpegelüberwachung kontinuierlich erfolgt, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme verglichen werden und bei einer Überschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. 13. The method according to claim 11 or 12, wherein the camera module (10) is used to continuously monitor the melt material level by comparing the detected individual recordings with a reference recording and if an actual value exceeds a target value, an automatic acoustic and/or visual warning message is output .
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei mittels des Kameramoduls (10) die Helligkeit des Flammraums des14. The method according to any one of the preceding claims 11 to 13, wherein by means of the camera module (10) the brightness of the combustion chamber of the
Schachtschmelzofens überwacht wird, indem die detektierten Einzelaufnahmen mit einer Referenzaufnahme und/oder mit zumindest einer Einzelaufnahme eines anderen in dem Schachtschmelzofen angeordneten Brenners (1) vergleichen wird und bei einer Über- und/oder Unterschreitung eines Istwertes von einem Sollwert eine automatische akustische und/oder visuelle Warnmeldung ausgegeben wird. shaft melting furnace is monitored by comparing the detected individual recordings with a reference recording and/or with at least one individual recording of another burner (1) arranged in the shaft melting furnace and, if an actual value exceeds and/or falls below a target value, an automatic acoustic and/or visual warning is given.
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