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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuführen eines Gases in ein metallurgisches Gefäss, wobei von dem Gas eine kondensierbare bzw verdampfbare Komponente in gasförmigem und/ oder flüssigem Zustand mitgeführt wird und das Gas dem metallurgischen Gefäss über ein oder mehrere Gaszuführungsmittel zugeführt wird, sowie ein Gaszuführungsmittel zur Durchführung des Verfahrens.
Metallurgischen Gefässen, insbesondere Einschmelzvergasern, wird über Gasdüsen ein sauer- stoffhaltiges Gas, etwa Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft oder technischer Sauerstoff, zugeführt. Zur Prozesskontrolle und Verfahrensbeeinflussung ist es erforderlich, zusammen mit dem jeweiligen Gas eine kondensierbare bzw. verdampfbare Komponente in das metallurgische Gefäss einzublasen. Diese Komponente wird in der Regel von Wasser bzw. Wasserdampf gebildet.
Einem Einschmelzvergaser wird Wasserdampf zugeführt, um dadurch die Flammentempe- raturen an den Sauerstoffdüsen beeinflussen zu können. Da Wasserdampf nicht immer verfügbar ist, besteht eine weitere Möglichkeit dann, flüssiges Wasser in zerstäubter Form zuzuführen.
Neben der endothermen Vergasungsreaktion (H2O + C == > H2 + CO), welche in jedem Fall statt- findet, dient - im Fall von Wasser in flüssigem Zustand - zusätzlich die nach dem Einblasen aufzubringende Verdampfungswärme zur Temperaturbeeinflussung.
Bei beiden Massnahmen besteht allerdings die Gefahr, dass kondensiertes bzw. noch flüssiges Wasser durch den Düsenkanal bis zum Feuerfestmaterial des Einschmelzvergasers fliesst und dort das Mauerwerk beschädigt. Ein vorzeitiges Zerstäuben löst dieses Problem nicht, da immer wieder Wasser an die Innenwand des Düsenkanals gelangt und dort einen Wasserfilm ausbildet.
Die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem Oberbegnff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welchem mögliche Beschädigungen an den Gaszuführungs- mitteln stark verringert bzw. ganz verhindert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelost, dass bei einer Anzahl der Gaszuführungsmittel in jedem dieser Gaszuführungsmittel . die Gasgeschwindigkeit in einem ersten Abschnitt kontinuierlich erhöht wird, . das Gas in einer Wirbelzone mit der kondensierbaren bzw. verdampfbaren Komponente innig vermischt wird, und . das mit der mitgeführten Komponente innig vermischte Gas in das metallurgische Gefäss eingeblasen wird.
Falls die Komponente in ursprünglich gasförmigem Zustand eingesetzt wird, ermöglicht es das erfindungsgemässe Verfahren zuverlässig, aus der Gasphase kondensierte Flüssigkeit im Gas- strom gleichmässig zu verteilen, da die Ablagerung eines Flüssigkeitsfilmes in der Wirbelzone nicht mehr möglich ist. Eine Wiederablagerung eines Flüssigkeitsfilmes nach der Wirbelzone ist aufgrund der dann bereits herrschenden Strömungsverhältnisse und Temperaturen ebenfalls nicht mehr möglich.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es weiters, die Komponente in flüssigem Zustand einzusetzen, beispielsweise in den Gasstrom einzusprühen. Durch die Einsparung eines separaten Verdampfungsschrittes lassen sich Kosteneinsparungen erzielen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass das Gas von Sauerstoff, insbesondere technischem Sauerstoff, wie er beispielsweise aus einer Luft- zerlegungsanlage erhalten wird, gebildet wird.
Bevorzugterweise wird dabei die kondensierbare bzw. verdampfbare Komponente von Wasser- dampf bzw Wasser gebildet.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Gasgeschwindigkeit nach dem ersten Abschnitt und vor der Wirbelzone eine Zeitlang im wesentlichen konstant gehalten.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Gasgeschwindigkeit vor dem ersten Abschnitt eine Zeitlang im wesentlichen konstant gehalten.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge wird die Gasgeschwindigkeit über den Ausströmab- schnitt im wesentlichen konstant oder leicht fallend gehalten.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gaszuführungsmittel zum Zuführen eines Gases in ein metallurgisches Gefäss, wobei das Gaszuführungsmittel entlang einer zentralen Längsachse von einem Strömungskanal durchsetzt ist, und wobei von dem Gas eine kondensierbare bzw. verdampfbare Komponente mitgeführt wird.
Bei diesem Gaszuführungsmittel sollen mögliche Beschädigungen im Betrieb stark verringert
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bzw. ganz verhindert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Gaszuführungsmittel erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal - ausgehend von einem bestimmten Querschnitt - zumindest . eine sprunghafte Querschnittserweiterung des Strömungskanals und . einen Ausströmabschnitt, welcher der Querschnittserweiterung in Gasströmungsnchtung nachgeordnet ist aufweist, und wobei der Querschnittserweiterung in Gasströmungsrichtung ein Verjüngungsabschnitt vorgeordnet ist, der einen sich in Gasströmungsrichtung verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Unter einer sprunghaften Querschnittserweiterung ist dabei eine in Gasstromungsrichtung erfolgende plötzliche Erhöhung des Durchmessers des Strömungskanals zu verstehen. Durch die dabei im Gas auftretenden Verwirbelungen und Turbulenzen werden Gasbestandteile, die bis zu diesem Ort mit dem Gas unvollständig vermischt waren, innig mit dem Gas durchmischt. Zusätzlich dazu werden etwaige Flüssigkeitsablagerungen an der Innenwand des Strömungskanals von dieser abgerissen und ebenfalls gleichmässig im Gas verteilt.
Es ist weder für das erfindungsgemässe Verfahren, noch für das erfindungsgemässe Gaszufüh- rungsmittel erforderlich, dass alle zuvor und nachstehend erwähnten Abschnitte eines Gaszufüh- rungsmittels baulich in einer Düse vereint sind.
So ist es beispielsweise möglich, den ersten Abschnitt bzw. den Verjüngungsabschnitt vor der Düse und den Ausströmabschnitt nach der Düse anzuordnen. Die aus dieser weniger optimalen Anordnung resultierende geringere Standzeit der Düse und/oder des Feuerfestmaterials kann für bestimmte Anwendungen dennoch ausreichend sein.
Einer vorteilhaften Ausgestaltungsform zufolge ist zwischen dem Verjüngungsabschnitt und der sprunghaften Querschnittserweiterung ein Zwischenabschnitt mit im wesentlichen konstantem Strömungsquerschnitt angeordnet.
Durch diesen Zwischenabschnitt befindet sich die sprunghafte Querschnittserweiterung in einem - für eine optimale Verwirbelung und Vermeidung eines Flüssigkeitsfilmes im Ausströmab- schnitt - optimalen Abstand von der Einschmelzvergaser-seitigen Öffnung des Gaszuführungs- mittels.
Die sprunghafte Querschnittserweiterung ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass der Anstieg des Strömungsquerschnittes an der sprunghaften Querschnittserweiterung - bezogen auf die Längsachse des Strömungskanals - eine mittlere Steigung a von zumindest 60 , vorzugsweise von zumindest 75 , aufweist.
Bei einer Steigung a von zumindest 60 wird an der Innenwand des Strömungskanals eine Stufe ausgebildet, welche eine ausreichende Zerstäubung von abgelagerter oder mitgeführter Flüssigkeit und danach eine ausreichende Verwirbelung und Durchmischung der Gaskomponenten sicherstellt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anstieg des Strömungsquerschnittes an der sprung- haften Querschnittserweiterung eine mittlere Steigung a von im wesentlichen 90 aufweist.
90 stellt nicht die maximale obere Grenze für die Steigung a dar, auch höhere Werte fur a führen zu unter Umständen zweckmässigen Ausführungsformen. Aus höheren Werten für a resul- tiert zwar eine schärfere Abrisskante, allerdings verschleisst diese Kante bei a > 90 auch leichter als bei Ó# 90 .
Gemäss einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemässen Gaszuführungsmittels ist dem Ver- jüngungsabschnitt in Gasströmungsrichtung ein Einströmabschnitt mit im wesentlichen konstantem Gasströmungsquerschnitt vorgeordnet.
Ein weiterer Aspekt der gegenständlichen Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen eines Gases in ein metallurgisches Gefäss, wobei die Vorrichtung eine oder mehrere erfindungs- gemässe Gaszuführungsmittel umfasst, sowie Gaszuleitungen zu den Gaszuführungsmitteln und Mittel zum Einbringen einer kondensierbaren bzw verdampfbaren Komponente in die Gaszufüh- rungsmittel.
Um sich die Vorteile der Erfindung nutzbar machen zu können, soll es nicht erforderlich sein, bereits existierende Düsen komplett gegen erfindungsgemässe Gaszuführungsmittel auszutau- schen. Es soll vielmehr auf einfache und kostensparende Weise möglich sein, existierende Düsen zu erfindungsgemässen Gaszuführungsmitteln umzurüsten.
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Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Einsatzstück zum Umrüsten einer aus dem Stand der Technik bekannten Düse, deren Düsenkanal zumindest . einen Ausströmabschnitt und . einen Verjüngungsabschnitt, dem Ausströmabschnitt vorgeordnet ist und welcher - zum
Querschnitt des Ausströmabschnittes hin- in Gasströmungsnchtung verjüngend ausgeführt ist, aufweist.
Ein solches Einsatzstück ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Achse, welche - bei in die Düse eingesetztem Einsatzstück - mit der zentralen Längsachse der Düse zusammenfällt, ein Gasströmungskanal durch das Einsatzstück geführt ist und wobei durch die Aussenkontur des Einsatzstückes zumindest ein Teilbereich der Innenkontur des Verjüngungsabschnittes nachge- bildet ist und wobei der Querschnitt des Gasströmungskanals in Gasströmungsrichtung verjüngend ausgeführt ist und wobei die Austrittsöffnung mit einer Abrisskante versehen ist, wodurch - bei in die Düse eingesetztem Einsatzstück - eine dem Verjüngungsabschnitt in Gasströmungsrichtung nachgeordnete sprunghafte Querschnittserweiterung des Gasströmungskanals ausgebildet ist.
Unter Abnsskante sind hier demnach sinngemäss die weiter oben gemachten Ausführungen zur sprunghaften Querschnittserweiterung zu verstehen
Das oben beschriebene Einsatzstück kann auf einfache Weise in eine bestehende Düse einge- schoben werden, etwa während eines Wartungsstillstandes bei entfernter Gaszuführungsleitung.
Da die Aussenkontur des Einsatzstückes passgenau der Innenkontur des Düsenkanals, und zwar insbesondere des Verjüngungsabschnittes bzw. zumindest eines Teiles davon, nachgeformt ist, wird bei Inbetriebnahme der Düse das Einsatzstück durch den Gasdruck gegen den Verjüngungs- abschnitt gepresst.
Der Gasströmungskanal, bzw. sein sich in Gasströmungsrichtung verjüngender Teil bildet dann den Verjüngungsabschnitt der umgerüsteten Düse, während die Abrisskante des Einsatzstückes die sprunghafte Querschnittserweiterung der Düse bildet.
Vorteilhafterweise ist durch die Aussenkontur des Einsatzstückes zusätzlich ein Teilbereich der Innenkontur des Ausströmabschnittes nachgebildet, dessen Innenkontur dann den Zwischenab- schnitt der umgerüsteten Düse bildet
Alternativ oder zusätzlich dazu ist gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltungsform durch die Aussenkontur des Einsatzstückes ein Teilbereich des Einströmabschnittes nachgebildet.
Abhängig davon, welche zusätzlichen Teilbereiche von Abschnitten durch die Aussenkontur des Einsatzstückes nachgebildet sind, wird davon entweder der Ort der Abrisskante bzw. der sprunghaften Querschnittserweiterung in der umgerüsteten Düse bestimmt und/oder ein insgesamt massiveres, leichter handhabbares und passgenau in die Düse einsetzbares Teil geschaffen.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Düsen weisen Düsen der erfindungsge- mässen Vorrichtung unmittelbar vor der sprunghaften Querschnittserhöhung einen geringeren Querschnitt auf. Dies hat zur Folge, dass der Vordruck in der die Düse versorgenden Zuführleitung gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist und daher - bei konstantem Versorgungsdruck - die Druckdifferenz am Flussregelorgan, weiches sich vor den Düsen befindet, geringer ist. Dieses Flussregelorgan, welches für alle Düsen den Versorgungsdruck in einer gemeinsamen Versor- gungsleitung auf den in den Zuführleitungen herrschenden Vordruck drosselt, weist stets den Nachteil einer grossen Lärmentwicklung auf. Da nun die Druckdifferenz zwischen Versorgungsdruck und Vordruck kleiner ist, ist auch die Lärmentwicklung verringert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das System insgesamt steifer wird, d.h. dass unmittelbar vor dem engsten Düsenquerschnitt ein höherer Druck herrscht, wodurch die Düse bei einem Eindringen von Flüssigphase, z. B. flüssigem Roheisen, schneller wieder davon befreit wird und damit Düsenschäden reduziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele naher erläutert.
Fig. 1 zeigt dabei einen Querschnitt durch eine Düse nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Düse,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Düse nach dem Stand der Technik, die durch einen Einsatz modifiziert ist.
Fig. 4 zeigt Ausführungsvananten der Querschnittserweiterung.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Teil der gesamten Vorrichtung zum Einblasen eines Gases.
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In Fig. 1 durchsetzt eine Düse 1 den Mantel 2 eines metallurgischen Gefässes, beispielsweise eines Einschmelzvergasers Die Düse 1 wird von einem wassergekühlten Düsenkörper 13 gebildet Durch den Düsenkörper 13 ist ein Düsenkanal 6 geführt, welcher aus mehreren Abschnitten 3,4,5 besteht und welcher im wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer zentralen Langsachse 7 des Düsenkanals 6 ist.
Der Einströmabschnitt 3 weist dabei einen im wesentlichen konstanten Querschnitt auf, welcher sich in einem darauffolgenden Verjüngungsabschnitt 4 kontinuierlich in Gasströmungs- richtung 12 verringert. Bis zum Einströmen des Gases in den Einschmelzvergaser wird der Strömungsquerschnitt in einem Ausströmabschnitt 5 im wesentlichen konstant gehalten.
Im Einströmabschnitt 3 herrscht der Vordruck P1 welcher über die gesamte restliche Länge des Düsenkanals 6 zum Systeminnendruck Psystem um die Druckdifferenz #P1 abfällt.
Die in Fig. 2 dargestellte Düse 1' weist ebenfalls einen Einströmabschnitt 3 mit im wesentlichen konstantem Strömungsquerschnitt auf, welcher in einem Verjüngungsabschnitt 4 kontinuierlich in Gasströmungsrichtung 12 verringert wird. An den Verjüngungsabschnitt 4 schliesst hier ein Zwischenabschnitt 8 mit gleichbleibendem Querschnitt an. Auf den Zwischenabschnitt 8 folgt eine sprunghafte Querschnittserweiterung 9, welche in der Zeichnung als rechtwinkeliger Rücksprung 9 in der Düseninnenwand ausgeführt ist. Es ist dabei wesentlich, dass die von dem Rücksprung 9 gebildete Stufe nicht zu hoch ausgeführt ist, dass also die Differenz der beiden Durchmesser vor und nach dem Rücksprung 9 nicht zu gross ist, damit der Druckverlust nicht zu hoch wird.
Es ist weiters wesentlich, dass der Rücksprung 9 mit einer scharfen Abrisskante versehen ist, um eine ausreichende Zerstäubung zu gewährleisten.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verhältnis der beiden Durchmesser von 1:1,05 bis 1:1,25 erwiesen.
An die sprunghafte Querschnittserweiterung 9 schliesst ein Ausströmabschnitt 5 mit wiederum im wesentlichen konstantem Querschnitt an, wobei die an die Querschnittserweiterung 9 unmittel- bar anschliessende Zone die Wirbelzone 10 darstellt, in der Gas und mitgeführte Komponente innig durchmischt werden.
Hier herrscht im Einströmabschnitt 3 der Vordruck P2, welcher über die gesamte restliche Länge des Düsenkanals 6 zum Systeminnendruck PSystem um die Druckdifferenz #P2 abfällt #P2 ist aber grösser als #P1. sodass auch P2 > P, und somit die Druckdifferenz von P2 zum Versorgungs- druck (der ebenso wie PSystern in beiden Fällen gleich ist), geringer als beim Stand der Technik ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Düse 1 weist einen Einsatz 11 auf, durch den eine wie in Fig. 1 dargestellte zu einer erfindungsgemässen Düse 1' aufgerüstet ist.
Durch die Aussenkontur des Einsatzstückes 11sind die Innenkontur des gesamten ursprüng- lichen Verjüngungsabschnittes 4, sowie jeweils eines Teiles des Einström- 3 und Ausströmab- schnittes 5 passgenau nachgebildet. Die Innenkontur des Einsatzstückes 11 ist dabei derart ausgebildet, dass sie wiederum einen Verjüngungsabschnitt 4' und einen Zwischenabschnitt 8 aufweist.
Das Nachrüsten von Düsen 1 kann während eines Wartungsstillstandes des Einschmelzver- gasers in einfacher Weise erfolgen, in dem der Einsatz bei entfernter Zuführungsleitung von aussen in den Düsenkanal 6 eingeschoben wird.
Fig 4 zeigt zwei Ausführungsvarianten der Querschnittserweiterung im Detail, wobei bei Fig 4a der Anstieg des Stromungsquerschnitts bezogen auf die Langsachse 7 eine Steigung a von 90 und bei Fig. 4b eine Steigung a von 70 aufweist.
In Fig. 5 sind von den etwa 20 bis 30 Sauerstoffdüsen, die den Mantel eines Einschmelz- vergasers in einem bestimmten Höhenabschnitt und etwa gleichmässig voneinander beabstandet durchsetzen, in beispielhafter Weise zwei Düsen 1' dargestellt. Jede der Düsen 1' ist mit zumindest einer Gaszuleitung 14 versehen, durch welche die Düse 1' mit Sauerstoff bzw. sauerstoffhältigem Gas versorgt wird.
In einer gemeinsamen Versorgungsleitung 15 wird durch ein Flussregelorgan 16 der Sauer- stoff-Versorgungsdruck auf den in der Ringleitung 17 und den Gaszuleitungen 14 herrschenden Vordruck ist das dann P2 gedrosselt. Die Ringleitung 17 versorgt dann auch alle anderen (hier zeichnerisch nicht dargestellten) Gaszuleitungen, bzw. Düsen, mit Sauerstoff. Die Düsen 1 sind mit einem Mittel 18 zum Einbringen von Wasser oder Wasserdampf versehen. Dieses Mittel 18 ist im einfachsten Fall als Wasser- bzw. Wasserdampfleitung ausgebildet, die in den Düsenkanal
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mündet.
Die Richtung der Wasser- bzw. Wasserdampfeinbringung kann in zweckmässiger Weise sowohl in, gegen, als auch normal zur Gasströmungsrichtung innerhalb des Düsenkanals erfolgen. In bevorzugter Weise wird Wasser in Gasströmungsrichtung innerhalb des Düsenkanals in diesen eingedüst.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern umfasst auch alle dem Fachmann bekannten Mittel, die zur Ausführung der Erfindung herangezogen werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Zuführen eines Gases in ein metallurgisches Gefäss, wobei von dem Gas eine kondensierbare und/oder verdampfbare Komponente in gasförmigem und/oder flüssigem Zustand mitgeführt wird und das Gas dem metallurgischen Gefäss über eines oder mehrere Gaszuführungsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl der Gaszuführungsmittel in jedem dieser Gaszuführungsmittel die Gasgeschwindigkeit in einem ersten Abschnitt kontinuierlich erhöht wird, * das Gas in einer Wirbelzone mit der kondensierbaren bzw. verdampfbaren Komponente innig vermischt wird, und * das mit der mitgeführten Komponente innig vermischte Gas über einen Ausströmab- schnitt in das metallurgische Gefäss eingeblasen wird.