DE2300217A1

DE2300217A1 - Verfahren und vorrichtung zur brennstoffeinspritzung in hochoefen o. dgl

Info

Publication number: DE2300217A1
Application number: DE2300217A
Authority: DE
Inventors: Alzette Esch; Victor Koch; Paul Metz; Robert Schockmel
Original assignee: Arbed SA
Current assignee: Arcelor Luxembourg SA
Priority date: 1972-01-28
Filing date: 1973-01-04
Publication date: 1973-08-02
Also published as: NL7216996A; JPS556681B2; FR2169037B1; FR2169037A1; AT332435B; US3832121A; ATA56073A; JPS4886707A; IT988091B; LU64674A1; DE2300217B2; GB1413624A; DE2300217C3; BE794642A

Description

Dipl.-lng. EIDENEIER Dipl.-Chem. Dr. RUFF Dipl.-lng. J. BEIER

/ STU! ΓΟΛΚΓ 1 Nf"ckcutitrcjl^o iiU Telefon 22 7O öl

2. Januar 1973 - JB/Va A 14 549

A 14 550

Anmelder: Acieries Reunies de Burbach-Eich-Dudelange S.A., ARBED
Luxemburg / LUXEMBURG, Avenue de la Liberte

Verfahren und Vorrichtung zur Brennstoffeinspritzung in Hochöfen o. dgl.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Brennstoffeinspritzung in Hochöfen o. dgl. .

Um den Einsatz von Koks zu verringern und die Betriebsleistung von Hochöfen zu verbessern, ist man bestrebt, immer größere Mengen an flüssigen Brennstoffen in die Öfen einzuspritzen. Eine Steigerung der Einspritzmenge ist' jedoch deshalb schwierig, weil der in den Heißwindstrom eingeführte Brennstoff, der mit großer Geschwindigkeit durch die Düsen geblasen wird, die .Form eines mehr oder weniger kompakten Strahls beibehält und sich daher in dem für die Verbrennungszone vorbehaltenen begrenzten Kaum keine vollständige Verbrennung entwickeln kann. Auch geht man von den einfachen Düsenrohren ab und bemüht sich derzeit, die flüssigen, vorzugsweise vorgewärmten Brenn-. toffe vor der Einspritzung in die Verbrennux.ij^zone in

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der Düse hochgradig zu zerstäuben, um die Gesamtoberfläche der Partikel zu.erhöhen und eine bessere Verteilung im Sauer*· stoffträger zu erzielen und auf diese Weise eine vollständige Verbrennung unter Beibehaltung einer möglichst kurzen Flamme zu erhalten.

Die zu diesem Zweck verwendeten Vorrichtungen haben jedoch bestimmte Nachteile. So erfolgt die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs im allgemeinen unter relativ hohem Druck mit Hilfe eines im Innern der Einspritzvorrichtung in einer Ausdehnungskammer befindlichen Druckgases. Ein Teil der Gasenergie ist notwendig, um die Zerstäubung des Brennstoffs zu bewirken und der andere, um dem gebildeten Nebel ,eine, hohe Austrittsgeschwindigkeit zu verleihen. Die notwendigen Drücke erfordern den Einsatz von Hochdruckgeräten, was schon ein Nachteil an sich ist. Außerdem wirken sich alle Druckschwankungen im Druckgas-Zufuhrsystem sofort auf das einwandfreie Funktionieren der Einspritzvorrichtungen aus und tragen nicht unbeträchtlich zu deren Abnutzung bei.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einspritzvorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe man flüssige Brennstoffe vollständig zu sehr kleinen Partikeln vermittels eines Gases mit relativ niedrigem Druck zerstäuben und dem Strahl am Ausgang der Einspritzvorrichtung einen großen kegelförmigen öffnungswinkel geben kann, um eine großflächige und kurze Flamme sicherzustellen und eine vollständige Verbrennung ohne unverbrannte Rückstände zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man den flüssigen Brennstoff zunächst in einem noch relativ dicken Film am oberen Teil der gradlinigen und glatten Wand einer zentralen Kammer verteilt, dann den Brennstofffilm auf einer schraubenförmigen Bahn entlang der Seitenwand zum freien Ende der Kammer zu beschleunigt und die Dicke

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des Films mittels Druckgasstrahlen zu einem dünnen film verringert, die auf einer tangential zur Seitenwand der Kammer und schräg nach unten geneigten Bahn eingeblasen werden, und daß der dünne Brennstoffilm an der Austrittsöffnung der zentralen Kammer durch einen Druckgasstrahl, der schräg auf den Austritt gerichtet ist, zerstäubt wird.

Vorzugsweise führt der Druckgasstrahl eine drehende Bewegung aus.

So wird also vor der tatsächlichen Zerstäubung, die erst am Ausgang der Einspritzvorrichtung stattfindet,, der flüssige Brennstoff zuerst zu einem dünnen i'ilm verteilt, der sich weitaus leichter und wirksamer zerstäuben läßt als ein kompakter Strahl. Auch hat sich erwiesen, daß schon ein

Druck von 4- kg/cm zum Einblasen des Zerstäubungsgases, dessen Austrittsmenge und -geschwindigkeit leicht den Bedürfnissen angepaßt werden können, zur Erzielung des erwünschten Resultates ausreicht.

Die Einspritzvorrichtung, der flüssiger unter Druck stehender Brennstoff sowie Druckgas durch mindestens zwei koaxiale Leitungen zugeführt wird, die an die Verteilersysteme der jeweiligen strömungsfähigen Medien angeschlossen sein können, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zentrale Brennstoffkammer mit einer geradlinigen und glatten, vorzu^Kweifio zyl indrisehen Wand und eine Einspritzdüse enthält, die wenigstens zwei Bohrungen aufweist, die in bezug auf die Haux>tachse der Einspritzvorrichtung außermittig verlaufen und auf die Wand der Kammer, die -stromaufwärts von der Einspritzdüse abgedeckt ist, gerichtet sind, daß die Einr.pri !^vorrichtung mindeateriü zwoi in der Seitenwand der i'ironn.stofJ'kamniPi· angeordnete Gar.üüfjon besitzt, üoreri Achsen tangential zur Wand und nach unten geneigt sind, und daß

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eine äußere Druckgasleitung vorgesehen ist, die die Brennstoffkammer über den größten Teil ihrer Ausdehnung koaxial umgibt und nahe dem Ende der Einspritzvorrichtung einen ,konvergierenden kegelförmigen über-einen ringförmigen Spalt nach außen offenen Teil besitzt.

Vorzugsweise ist die umgebende das Zerstäubungs-Druckgas führende Ringleitung in ihrem Endteil mit Kanälen versehen, die dem sie durchströmenden Gas eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente verleihen und die auch durch die Wahl ihrer Zahl und ihres Querschnitts dazu verwendet werden können, die Ausströmmenge des Zerstäubungsgases zu bemessen. Die Achsen der Kanäle können bezogen auf die " axiale Längsebene der Einspritzvorrichtung geradlinig und geneigt oder schraubenförmig sein.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine kegelförmige Ablenkplatte axial und divergierend auf der Bahn des Druckgases am Ausgang der Brennstoffkammer angeordnet.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die öffnung des ringförmigen Spalts zwischen den Enden der Wandungen der beiden Leitungen durch eine axiale Verschiebung einer der Wandungen in bezug auf die andere reguliert werden.

Tie erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung sichert einen hohen Zerstäubungsgrad und erzeugt einen kegelförmigen Strahl mit einem mindestens auf 50° einstellbaren Öffnungswinkel. Die Feinheit des pulverisierten Brennstoffs und die Homogenität der Zündstoff-Brennstoff-Mischung sind besonders günstig und sichern eine beschleunigte und vollständige Verbrennung mit einem hohen Wärmeertrag.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Endteil eines Ausführungsbeispiels einer Einspritzvorrichtung für flüssigen Brennstoff mit allen wesentlichen Funktionselementen,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie AA nach Fig. 1 mit zwei möglichen Ausführungsformen für die Kanäle der zweiten Leitung,

Fig. 3 einen Aufriß eines Kanals mit geradliniger Achse mit einem Neigungswinkel von 30°,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Brennstoff-Einspritzdüse,in Richtung des Pfeils B in Fig. 1 gesehen, und

Fig. 5 eine Wiedergabe der Exzentrizitäts-Winkel der Bohrungen der Einspritzdüse.

Der flüssige Brennstoff, beispielsweise sehr schweres Heizöl, der zur Erhöhung seiner Strömungsfähigkeit auf eine Temperatur von ca. 110 C vorgewärmt wurde, wird unter Druck durch eine zentrale Leitung 3'0 zu einer Einspritzdüse 320 geführt, die mit mehreren Bohrungen 321 mit außermittigen Achsen ausgestattet ist. Es können beispielsweise vier Bohrungen, wie in fc'ig. 4 gezeigt, vorhandon t;cin. Dor

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Brennstoff wird in Form von mehreren schräg auf die Seitenwand der Brennstoffkammer 330 gerichteten Strahlen in diese eingespritzt. Bei der Berührung mit der Wand verteilen sich die Strahlen und bilden eine Schicht, die sich auf einer im wesentlichen schraubenförmigen Bahn bewegt.

Die die Seitenwand entlangströmende Brennstoffschicht wird vorzugsweise, wenn sie ingefähr die halbe Strecke durch die Kammer zurückgelegt hat, unter der Einwirkung von Druckgasstrahlen beschleunigt, die durch auf der Außenwand der Kammer 330- verteilte Gasdüsen 531 eingeblasen werden. Die Gasdüsen 331 sind vorzugsweise mit einem Neigungswinkel von ca. 30° nach unten geneigt und münden tangential in die Brennstoffkammer, so daß die Brennstoffstrahlen eine im wesentlichen schraubenförmige Bahn entlang der Seitenwand verfolgen und die Brennstoffschicht in ihrer Bewegung mit- " reißen. Unter der Einwirkung der Beschleunigung verdünnt sich die Brennstoffschicht beträchtlich und bildet schließlich nur noch einen sehr dünnen flüssigen Film, der sich wirksam am Ausgang der Einspritzvorrichtung zerstäuben läßt.

Es wird jedoch nicht versucht, eine Vormischung oder Zerstäubung des Brennstoffes im Druckgas im Innern der Kammer 330 der Einspritzvorrichtung zu erzielen.

Eine zweite die Brennstoffkammer 330 koaxial, umgebende Leitung 200 führt das Druckgas. Die Außenleitung 200 endet nahe dem Ende der Einspritzvorrichtung in einem kegelförmigen konvergierenden Abschnitt 200, der in einem ringförmigen Spalt 221 von der Einspritzvorrichtung nach außen führt. Das Druckgas tritt in Form eines kreisförmigen Strahls oder Hingmuntels schräg auf die Strömrichtune; des zylindrischen Brennstoff Π nut zu geneigt, aiu; dem ringförmigen Spalt, ?P1 aus.

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Die zweite Leitung 200 ist mit einem Ring 210 versehen, durch den Kanäle 211 verlaufen, die zur axialen Längsebene der Einspritzvorrichtung geneigt sind. Der Querschnitt der Kanäle kann kreisförmig sein, wie in der unteren Hälfte der Fig. 2 gezeigt, er kann auch im wesentlichen halbkreisförmig sein, wenn beispielsweise schraubenförmige Kanäle von außen in die Wand des Rings 210 gefräst sind. Die Kanäle 211 verleihen dem Druckgas eine kreisförmige Bewegung, so daß sie aus dem ringförmigen Spalt nicht radial austreten, sondern daß ihre Strömungslinien eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente haben.

Das· durch die Umfangsieitung 200 strömende Druckgas dient auch als Kühlmedium sowohl für die Außenwand 100 der Einspritzvorrichtung, die so vor übermäßigen thermischen Belastungen geschützt wird, als,auch für die Wand 3OO der Brennstoffkammer 330, indem es so den flüssigen Brennstoff vor jeglichem Crackeffekt bewahrt, der durch eine hochgradige und abrupte Erwärmung hervorgerufen wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein kegelförmiger Ablenkkörper 332 divergierend im Weg des Gases am Ausgang der zentralen Kammer 33O angeordnet. Der Kegel 332 bildet zwischen sich und der Kammerwand einen freien Raum 3^0 in Form eines ringförmigen Spalts für den Austritt des strömungsfähigen Brennstoffilms und den Austritt des Gases. Die Verengung der Austrittsöffnung aufgrund des Kegels ruft noch eine zusätzliche Fließbeschleunigung und Verringerung der Dicke des Brennstoffilms hervor. Mehr oder weniger große Brennstofftropfchen, die möglicherweise noch im durch die Gasdüsen 331 eingeblasenen Gas suspendiert rdnd, werden gc^en eine der Wündo genchieuderl, und en wird ν or miodon, daß niο die Einspritzvorrichtung; unverändert verlassen und in der Flamme eine größere Konzentration ungenügend verteilter Tröpfchen bilden.

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Der Kegel kann mit Hilfe von radialen mit der Wand 3OO der Brennstoffkammer 330 verbundenen Flügeln 333 an Ort und Stelle gehalten werden. Die Flügel 333 sind bezogen auf die radiale Längsebene der Einspritzvorrichtung geneigt, so daß sie die Kreiselbewegung des Gases verstärken. Die dem Brennstoff und dem Zerstäubungsgas verliehenen Orientierungen der Drehbewegung sind vorzugsweise identisch.

Ein Teil des durch die gemeinsame zweite Leitung 200 strömenden Druckgases kann zur Speisung der Gasdüsen 331 verwendet werden, die in die Brennstoffkammer 330 münden. Das Druckgas kann ein oxydierendes Gas, wie Luft oder Sauerstoff oder auch ein Brenngas, wie Erdgas, sein. Die Gasdüsen können jedoch auch gesondert mit Druckgas mit der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung wie das am Ausgang der Einspritzvorrichtung zur Zerstäubung des Brennstoffs dienende Gas versorgt werden, beispielsweise durch ein zweites ringförmiges Kanalsystem, das angrenzend an die Zufuhrleitung des Brennstoffs liegt und sich am oberen Teil der Brennstoffkammer 330 befindet. Diese Anordnung ist besonders günstig, wenn man in die Brennstofi'-kammer 330 ein Brenngas, wie etwa Erdgas, einblasen möchte und die Zerstäubung lieber mit Luft oder Sauerstoff durchführen möchte.

Die Endabschnitte der Außenwand 100 und Innenwand 3OO der' Einspritzvorrichtung sind mit den entsprechenden Teilen, der Vorrichtung, die die eigentlichen Träger der Einspritzvorrichtung bilden, durch Gewinde-Verbindungsstücke verbunden und können bei Bedarf einzeln ersetzt werden, war. auch für die Einspritzdüse 3?O und den porforierten King ?10 gilt, d. h. für alle ei nor. eventuell on Abnutzung, Beschädigung odor Verschmu t.y.unp; /junciniTetzLcn Kurik ti oiu?- oloraonl;o.

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Durch eine axiale relative Verschiebung der Enclteile der Wände 100 und 3OO kann die Öffnung des ringförmigen Spalts 221 verändert werden, wodurch man die Ausstoßgeschwindigkeit der Gasschicht verändern und so in hohem Maße die Ausbreitung des Brennstoffnebeis und die Länge der Flamme kontrollieren kann.

Die im folgenden gegebenen Zahlenangaben beziehen sich auf eine Versuchseinspritzvorrichtung ähnlich der beschriebenen Vorrichtung, die aber ohne Ablenkungskegel in der Brennstoffkammer ausgeführt war. Die Angaben werden nur beispielsweise genannt und sollen nicht als eine Grenze der mit dieser Art von Einspritzvorrichtungen erreichbaren Leistungen angesehen werden. Mit Hilfe der genannten Einspritzvorrichtung konnte man 70 g besonders schweres, auf 110 C vorgewärmtes Ül pro Kubikmeter in die Gasdüsen eingeblasenen Heißwind mit einem Druck von ca.

1 kg/cm ausbringen. Das zur Zerstäubung des Brennstoffes dienende Druckgas, das im Falle von Luft eine Temperatur von 25° C hatte, hatte einen Druck von 4 kg/cm . Die Einspritzung des Brennstoffs erfolgt bei einem Druck von 6 kg/cm .

Die Flamme der Brennstoffdispersion ist großflächig und kurz und bleibt sehr stabil. Die Verbrennung hinterläßt keine unverbrannten Rückstände.

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Claims

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Ansprüche

Verfahren zur Brennstoff-Einspritzung in Hochöfen o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß man den flüssigen Brennstoff zunächst in einem noch relativ dicken Film am oberen Teil der gradlinigen und glatten Wand einer zentralen Kammer (330) verteilt, dann den Brennstofffilm auf einer schraubenförmigen Bahn entlang der Seitenwand zum freien Ende der Kammer zu beschleunigt und die Dicke des Films mittels Druckgasstrahlen zu einem dünnen Film verringert, die auf einer tangential zur Seitenwand der Kammer und schräg nach unten geneigten Bahn eingeblasen werden, und daß der dünne Brennstoffilm an der Austrittsöffnung der zentralen Kammer (330) durch einen Druckgasstrahl, der schräg auf den Austritt gerichtet ist, zerstäubt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgasstrahl eine drehende Bewegung ausführt.
3. Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Druckgasstrahls zur Zerstäubung regelbar ist.
4. Einspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zentrale Brennstoffkammer mit einer geradlinigen und glatten, vorzugsweise zylindrischen Wand und eine Einspritzdüse (3?0) enthält, die wenigstens zwei Bohrungen (321) aufweist, die in bezug auf die Hauptachse der Einspritzvorrichtung außermittig verlau-

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fen und auf die Wand der Kammor (330), die stromaufwärts von der Einspritzdüse abgedeckt ist, gerichtet sind, daß die Einspritzvorrichtung mindestens zwei in der Seitenwand der Brennstoffkammer (330) angeordnete Gasdüsen (33Ό besitzt, deren Achsen tangential zur Wand und nach unten geneigt sind, und daß eine äußere liruckgasleitung (200) vorgesehen ist, die die Brennstoffkammer über den größten Teil ihrer Ausdehnung koaxial umgibt und nahe dem Ende der Einspritzvorrichtung einen konvergierenden kegelförmigen über einen ringförmigen Spalt (221) nach außen offenen Teil besitzt.
5- Einspritzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-, zeichnet, daß die ringförmige äußere Druckgasleitung in ihrem Endteil mit Kanälen (211) versehen ist, die in eine dem ringförmigen Spalt benachbarte Ebene münden und dem Gas eine tangentiale' Geschwindigkeitskomponente verleihen.
6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl und der Querschnitt der Kanäle (211) so bemessen sind, daß sie die üasmenge auf die zur Zerstäubung erforderliche Gasmenge beschränken.
7. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalachsen geradlinig und bezogen auf die radiale Längsebene der Einspritzvorrichtung geneigt sind-,
8. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Kanäle (211) schraubenförmig sind.

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9- Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger AbISenkkörper (332) axial und divergierend auf dem Weg des Druckgases am Austritt der zentralen Kammer (330) angeordnet ist.
10. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Ablenkkörper (332) durch radiale Flügel (333)» die zur axialen Längsebene der Einspritzvorrichtung geneigt sind, befestigt ist.
11. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung des ringförmigen Spalts (221) durch axiale Relatiwerschiebung der Endabschnitte der Wandungen der zentralen und äußeren leitung (33O,-200) veränderbar ist.
12. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige äußere Druckgas-Leitung (200) auch die in die Brennstoffkammer mündenden Gasdüsen (33Ό mit Druckgas versorgt.
13. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige äußere Druckgasleitung kaltes Gas mit einem Druck von ca.

4 kg/cm² führt.
14. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennstoffkammer mündenden Gasdüsen (331) an eine gesonderte Druckgasversorgung angeschlossen sind.

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15· Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Gasdüsen (351 strömende Druckgas eine andere Zusammensetzung hat als das Zerstäubungsgas.
16. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas ein
oxydierendes Gas ist.
17· Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15) dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas ein
Brenngas ist.
18. Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß das von den Gasdüsen (331) in die zentrale Kammer (330) eingeblasene Druckgas
ein oxydierendes Gas ist.

19· Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß das von den Gasdüsen (331) in die zentrale Kammer (330) eingeblasene Druckgas
ein Brenngas ist.

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