NO155116B

NO155116B - Fremgangsmaate og anordning for ovnsfyring.

Info

Publication number: NO155116B
Application number: NO811218A
Authority: NO
Inventors: John Erling Anderson
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1981-04-08
Publication date: 1986-11-03
Also published as: ES8205456A1; US4378205A; KR850000951B1; IL62568A; AU543281B2; BR8102112A; CA1160556A; KR830005367A; EP0038257B1; NO155116C; DE3165935D1; HU190672B; RO82948A; PT72826B; ES501168A0; PL230562A1; YU43915B; DD158936A5; JPS6214048B2; ATE9398T1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og brenneranordning for bruk med oksygen eller oksygenanriket luft av den art som angitt i innledningen til henholdsvis krav 1 og krav 7.

Det er vanlig å benytte luft som oksyderende gass ved industrielle ovner av den typen som er beskrevet ovenfor, jfr. US patent nr. 3.771.944. Det er kjent at oksygenanrikning med oksyderende gass for forbrenning ved å erstatte oksygenet med delvis eller all luft, kan brennstoff kravene reduseres og bidra til å øke produksjonshastigheten ved industrielle ovner, jfr. US patent nr. 2.941.587. Dessuten er det fra GB-A-1.215.925 kjent en brennstoffgass/oksygenbrenner ved hvilken brennstoff gass og oksyderende gass i form av oksygen eller oksygenanriket luft blir tømt ut fra separate passasjer. Oksyderende gass blir injisert ved en hastighet betydelig større enn brennstoff gassen slik at den oksyderende gassen strømmer gjennom en relativt statisk atmosfære med brennstoff gass. Strømmen med oksyderende gass innsendt fra respektive passasjer omhyller den omgivende brennstoff gassen og forbrenningen finner sted. Forbrenningssonen begynner ved en kort avstand (størrelsesorden av 0,25 mm) fra åpningsutløpet.

Når oksygen erstatter luft til forbrenningen, blir nitrogenandelen tilsvarende redusert både i den oksyderende gassen og i røkgassen. Dermed reduseres volumet av begge deler på basis av pr. enhet forbrent brennstoff, og oksygenkonsentrasjonen i den oksyderende gass-brenn-stoffblandingen økes. Disse endringer er i sin tur ansvarlig for følgende prinsipielle fordeler: (1) Økning av den maksimalt oppnåelige fyringshastighet for brennerne i en gitt ovn, som kan benyttes for økning av produksjonshastigheten. Når luft benyttes som oksyderende gass, kan fyringshastigheten begrenses av (a) luft som kan tilføres brenneren gjennom de tilgjengelige kanaler og vifter, (b) volumet av forbrenningsprodukter som kan mottas av skorsteinen og (c) fyringshastigheten som kan tolereres av brenneren, før forbrenningsustabilitet og ufullstendig forbrenning skaper problemer. Ved økning av oksygenmengden, vil de lavere oksyderende gass- og røkgass-volumer overvinne de to første begrensninger, mens det lavere oksyderende gassvolum og den høyere oksygenkonsentrasjon. bidrar til å overvinne den tredje begrensning. (2) Reduksjon av brennstofforbruket. Ved luft som oksyderende gass er tapet av fri varme til røkgassen ofte betydelig som følge av luftens høyde nitrogeninnhold. Ved oksygenanrikning blir røkgassens nitrogeninnhold redusert og røkgassens varme innhold avtar, med den følge at det oppstår mindre tap av fri varme ved sammenliknbare utgasstemperaturer. De totale brennstoffbespareiser pr. produksjonsenhet kan være betydelige. (3) Reduksjon av forurensningsproblemene i forbindelse med medrivning av partikler, som følge av det lavere røkgassvolum. Rensing av gassen for alle forurensninger er mindre kostbar og mer effektiv ved et redusert røkgassvolum pr. enhet forbrent brennstoff.

Graden av de ovennevnte fordeler øker med graden av oksygenanrikning. Bruk av betydelig oksygenanrikning, likesom bruk av rent oksygen vil være fordelaktig på området. Slik bruk har imidlertid hittil blitt unngått, fordi den medfører følgende ulemper: (1) Høye flammetemperaturer. Flammetemperaturen øker merkbart med oksygenkonsentrasjonen i oksyderingsgassen. Dette er uønsket fordi det resulterer i (a) usedvanlig høye varmeoverføringshastigheter i et lokalisert område rundt flammen som kan føre til stedvis overopphetning, som fører til skader på det ildfaste ovnsmaterialet og/eller ovnschargen, og (b) høyere nitrogenoksyd (NOx) -utslipp, da kinetikken og tilstanden av de NOx-dannende reaksjoner fremmes merkbart av høyere temperaturer. Bruk av rent oksygen som oksyderende gass løser ikke det andre problem ved begrensning av tilgjengeligheten av nitrogen, idet tilstrekkelig nitrogen vanligvis foreligger i ovnen via luftlekkasjer (som vanligvis er uunngåelig selv i lukkede ovner, særlig ved produksjon i industriell skala) eller i brennstoffet for dannelse av nitrooksyder i miljømessig utillatelige mengder, dvs. mengder som overstiger tillatelig NOx-utslippstandard. (2) Lav gasshastighet i ovnen. Reduksjonen i masse av både oksyderende gass og brennstoff kan føre til en betydelig reduksjon av den innkom-mende oksyderende gass- og brennstoff-strålehastighet, hvilket igjen reduserer graden av blanding og resirkulasjon av gassene i ovnen. God blanding og gassirkulasjon i ovnen er nødvendig for oppnåelse av effektiv varmeoverføring og jevn oppvarming av chargen likesom for unngåelse av overopphetede steder.

Skjønt de ovenfor omtalte fordeler ved bruk av oksygen eller oksygenanriket luft i stedet for luft i industriovner har vært kjent, ble slik bruk således unngått fordi den var ledsaget av de nevnte ulemper. Det foreligger derfor et behov på området for å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for fyring av en ovn som tillater bruk av oksygen eller oksygenanriket luft som oksyderende gass hvor fordelene ved en slik oksyderende gass utnyttes samtidig som de ovennevnte ulemper unngås.

Foreliggende oppfinnelse går ut på å bedre den totale ytelse og effekt av industriovner ved (a) økning av den maksimale ovnsfyringshastigheten ved økning av hastigheten av oksyderende gasstilførsel til ovnen, (b) reduksjon av ovnens brennstoffbehov ved reduksjon av tapene av fri varme til røkgassen ved eliminasjon av i det minste en del av nitrogenet og (c) reduksjon av forurensningene ved reduksjon av røkgassvolumet.

Oppfinnelsen går også ut på å oppnå de nevnte formål ved bruk av oksygen eller oksygenanriket luft i stedet for luft som oksyderende gass.

Oppfinnelsen har videre til hensikt å bedre den totale ytelse og effekti-vitet av industriovner ved bruk av oksygen eller oksygenanrikning, samtidig som man unngår ulempene ved høye flammetemperaturer og lav gasshastighet som fører til NOx-utslipp og en ujevn ovnstemperaturfor-deling som normalt ledsager bruken av oksygen eller oksygenanriket gass som oksyderende gass.

Ifølge oppfinnelsen skal flammestabiliteten under forbrenning i en industriovn bedres.

Oppfinnelsen går også ut på å tilveiebringe en brenner for gjennomføring av ovenstående formål.

Dette oppnås ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte samt brenneranordning hvis karakteristiske trekk fremgår av henholdsvis krav 1 og krav 7.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

Ved gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan det oppnås betydelige brennstoffbespareiser og økt produksjonshastighet, sammenliknet med de ovnsfyringsprosesser hvor det benyttes luft, samtidig som tilstrekkelig gasshastighet oppnås i ovnen for at den blanding og gassresirkulasjon i ovnen som er nødvendig for en i det vesentlige jevn temperaturfordeling oppnås, og samtidig som flammetemperaturen senkes, slik at NOx-utslippene holdes på et nivå under de som er tillatelige ifølge gjeldende utslippskontrollstandard.

Den teoretiske flammetemperatur for et brennstoff og en oksyderende gass er den maksimale temperatur som kan oppnås i en flamme (under forutsetning av en adiabatisk prosess og momentan og fullstendig blanding av brennstoff og oksyderende gass), som resulterer fra forbrenningen av det aktuelle brennstoffet med den aktuelle oksyderende gass.

Betegnelsen "normal flammetemperatur" skal i denne forbindelse bety den flammetemperatur som faktisk oppnås i en ovn under forbrenning av et bestemt brennstoff og en bestemt oksyderende gass uten at innsuging av ovnsgasser finner sted før blandingen av brennstoffet og den oksyderende gassen. Den normale flammetemperatur ligger nær opp til den teoretiske flammetemperatur (hvor nær avhenger av blandings- og overføringsfor-holdene i ovnen). Når flammetemperaturen i en ovn, hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir gjennomført, sammenliknes med "normal flammetemperatur", skal sammenlikningen tolkes som gjort under henvisning til en konvensjonell ovn i en prosess hvor likeverdige driftsparametre benyttes, mens innsuging av ovnsgasser ikke skjer før blandingen av brennstoffet og den oksyderende gassen.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene.

Fig. 1 er en grafisk gjengivelse som viser variasjonen mellom den teoretiske flammetemperatur for naturgass som en funksjon av oksygenkonsentrasjonen i den oksyderende gassen. Fig. 2 er en grafisk gjengivelse som viser flammetemperaturen som oppnås i .en oksygeninnsugningsbrenner ved bruk av forskjellige grader av oksygenanrikning i den oksyderende gassen for forskjellige ovnsgass-resirkulasjonsforhold. Fig. 3 er en skjematisk gjengivelse av en oksygeninnsugningsbrenner

for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 er en skjematisk gjengivelse av en luftbrenner med hvirvel-strømning og ildfast blokkering i aksialsnitt. Fig. 5 er en skjematisk gjengivelse av en konvensjonell brenner med

konsentriske ringer.

Fig. 6 er en skjematisk gjengivelse av en ovn der fremgangsmåten

ifølge oppfinnelsen kan gjennomføres og brenneren benyttes.

Fig. 7 er en grafisk gjengivelse av en sammenlikning av NOx-utslipps-nivåene for en oksygeninnsugningsbrenner og en brenner av konvensjonell type med konsentriske stråler.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til et spesielt utførelses-eksempel av en fremgangsmåte og en brenner for fyring av en ovn hvor ovnen har en sone som i det vesentlige er lukket mot atmosfæren, slik det er vanlig i stålindustrien for oppvarming av en metallcharge eller i andre industrielle anvendelser, f.eks. i glassindustrien for oppvarming av en glasscharge m.v.

Ifølge foreliggende oppfinnelse sprøytes brennstoff- og oksyderende gass-stråler inn i ovnen fra adskilte porter. Det kan foreligge bare en brennstoffstråle som er angitt av et flertall oksyderende gasstråler, det kan foreligge bare en oksyderende gasstråle, omgitt av flere brennstof f-stråler, det kan foreligge en oksyderende gasstråle og en brennstoffstråle eller det kan foreligge flere stråler av begge slag. Ved et spesielt foretrukket utførelseseksempel foreligger en sentralt anordnet brennstoffstråle som er omgitt av flere sirkulært anbrakte oksyderende gasstråler (fortrinnsvis 6 til 8). Avstanden (X), målt fra kanten av brennstof f dysen til kanten av en oksyderende gassdyse (eller ved et avvikende eksempel avstanden mellom kanten av en brennstoffstråle og kanten av nærmeste oksyderende stråle ved deres respektive innføringspunkter) må være minst fire ganger diameteren (D) av den oksyderende strålen eller strålene målt ved dysemunningen (dvs. den oksyderende gassdysens indre diameter).

De oksyderende gasstrålene må sprøytes inn med tilstrekkelig hastighet til at det skal oppstå en sugeeffekt rundt og i nærheten av hver oksyderende gasstråle, slik at ovnsgasser som i det vesentlige består av forbrenningsprodukter og en eventuell oksyderende gassandel som ikke er oksygen kan suges inn i de oksyderende gasstrålene, direkte fra nevnte omgivelser, dvs. rommet som omgir hver oksyderende gasstråle (til forskjell fra prosesser som benytter seg av separate resirkulasjonskanaler og utstyr for resirkulasjon av forbrenningsprodukter fra en annen del av ovnen, som skorsteinen). For at oppfinnelsen skal fungere, må slik innsuging finne sted før de oksyderende gass- og brennstoffstrålene blandes. Mengden av ovnsgasser som suges inn til et punkt i den oksyderende gasstrålen i en avstand Y fra den oksyderende gassdysens munning (se fig. 3) er direkte proporsjonal med den oksyderende gasstrålens massestrømningshastighet og motsatt proporsjonal med den oksyderende gassdysens diameter.

Avstanden X må, som definert ovenfor, være minst fire ganger den oksyderende gasstrålens diameter ved dysen og er fortrinnsvis minst åtte ganger den oksyderende gasstrålens diameter. Forsøk med avstander X som svarer til opptil tyve ganger nevnte diameter ga tilfredsstillende resultater. Det er også eksperimentelt vist at en større avstand mellom de oksyderende gass- og brennstof f dysene kan være ønskelig, vanligvis ved høyere gjennomsnittlige ovnstemperaturer og ved høyere fyringshastigheter, f.eks. for å holde NOx-utslippene under et bestemt nivå, som nærmere omtalt nedenfor.

Utgangshastigheten av den oksyderende gasstrålen må være høy nok til å fremkalle den nødvendige sugevirkning. Men det er en annen faktor som påvirker hastigheten og som er styrende i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. Som nærmere omtalt nedenfor, må den oksyderende gass-strålens hastighet være tilstrekkelig høy til å danne et tilstrekkelig strålemoment ved den oksyderende gasstrålens utløp. Det er ønskelig at nevnte oksyderende gasstrålehastighet i det minste er sammenliknbar med en ekvivalent luftstråle i en konvensjonell luftbrenner og fyringsprosess.

Som tidligere nevnt resulterer bruk av oksygen eller oksygenanriket luft i stedet for luft i mindre gassmassetilførsel til ovnen (derfor lavere gasshastighet) og høyere flammetempeaturer. Ifølge foreliggende oppfinnelse kreves avsugde ovnsgasser for å spille den rolle i et oksygen- eller oksygenanriket luftsysstem, som tidligere ble spilt av nitrogen i et luftsystem, nemlig å skaffe den nødvendige masse for gassblanding og resirkulasjon og som inert komponent i brennstof f orbrenningsreaksjonen, for å virke som fortynningsmiddel og redusere flammetemperaturen i brennstof forbrenningen. Det forhold at nitrogen erstattes av hete ovnsgasser i den oksyderende gasstrømmen er i stor utstrekning ansvarlig for de brennstoffbesparelser som oppnås ved hjelp av foreliggende oppfinnelse.

Derfor avhenger den ovnsgassmengde som må suges inn i en oksyderende gasstråle for oppfinnelsens formål (a) den nødvendige gassmengde for effektiv blanding og gassresirkulasjon i ovnen under den forutsetning at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil funksjonere under blandings- og gassresirkulasjonsbetingelser som i det minste er sammenliknbare med betingelsene ved en konvensjonell prosess ved bruk av luft, og (b) den ønskede flammetemperatur for ovnen slik at NOx-utslipp reduseres til et minimum og lokal overopphetning unngås.

God blanding og gassresirkulasjon er meget viktige for oppnåelse av jevn oppvarming og for unngåelse av lokal overopphetning og de derav følgende skader på ovnschargen, det ildfaste materiale m.v.

Uten innsugning av ovnsgasser i den oksyderende gassen før denne blandes med brennstoffet, vil flammetemperaturen i ovnen, på det punkt hvor oksyderende gass og brennstoff blandes, bli tilsvarende den normale flammetemperatur som er nær opptil til den teoretiske flammetemperatur (hvor nær avhenger av blandingseffektiviteten) for den spesielle brenn-stofftype og oksygeninnholdet i den oksyderende gassen (se fig. 1). Flammetemperaturen øker med økende oksygeninnhold i den oksyderende gassen.

Fig. 1 viser variasjonene i den teoretiske flammetemperatur for forbrenning av naturgass som funksjon av oksygeninnholdet i den oksyderende gassen, under forutsetning av forhold med fullstendig og momentan blanding. Når oksygenkonsentrasjonen øker, øker også den teoretiske flammetemperatur merkbart fra ca. 1843"C for luft til over 2760 °C (den adiabatiske flammetemperatur) for oksygen. Under den faktiske drift med en konvensjonell fremgangsmåte vil temperaturen av forbrenningsproduk-tene i den resulterende forbrenningsstråle være lik den normale flammetemperatur ved blandingspunktet og vil avta langs strålen på vei bort fra brenneren etter hvert som varme forbrenningsgasser blandes med de kjøligere gasser som suges inn i strålen.

Ved industrielle forbrenningsformål er det viktig å styre flammetemperaturen av to grunner. For det første fremmer høye flammetemperaturer kinetikk og ekvilibria for NOx-dannende reaksjoner og for det andre kan høye flammetemperaturer forårsake lokal overopphetning med de ledsag-ende uheldige virkninger (skader på ovnschargen, ovnens ildfaste materiale m.v.). Innsugning av ovnsgass i oksygenstrålen før denne blandes med brennstoffet reduserer flammetemperaturen under den normale flammetemperatur, og hvis mengden av ovnsgass er tilstrekkelig (avhenger også av blandeforholdene i forbrenningssonen og av selve ovnsgassens temperatur), vil flammetemperaturen være tilstrekkelig lav, slik at hverken overopphetning eller NOx-dannelse skaper problemer, selv om rent oksygen benyttes som oksyderende gass. Målinger av NOx-utslippene gjør det teoretisk mulig å beregne flammetemperaturen.

De målte NOx-nivåer som ble oppnådd ved bruk av foreliggende oppfinnelse har vært særdeles lave. Reduksjonen av NOx-nivåene kan i første rekke tilskrives effektiv flammetemperaturstyring og bare i underordnet grad oksygenanrikningen (og dermed nitrogentappingen) av den oksyderende gass. Flammetemperaturstyringen er generelt nødvendig fordi nitrogen nesten alltid foreligger i en ovn, enten som følge av luftlekkasjer eller ved at det foreligger i brennstoffet i tilstrekkelige mengder til å danne (innenfor de rådende ovnsoppholdstidsforhold) merkbare mengder av NOx når det ikke foreligger flammetemperaturstyring.

Når mengden av innsugd ovnsgass i den oksyderende gasstrålen i oksygeninnsugningsbrenneren før strålen blandes med brennstoffstrålen, avtar temperaturen. Graden av flammetemperaturreduksjon avhenger også av ovnsgassens temperatur, men flammetemperaturen som funksjon av mengden av innsugd ovnsgass har det forhold som er vist i fig. 2, til resirkulasjonsforholdet R, definert som forholdet:

Ved gjennomføring av foreliggende oppfinnelse er det ønskelig å oppnå en flammetemperatur som er lavere enn den normale flammetemperatur med en verdi aT som i dét minste er lik den som fremkommer av formelen: aT = 222 + 4,2 (P-21), hvor aT er uttrykt i °C og P er oksygeninnholdet i den oksyderende gassen i det nærværende volum.

Når oksygen eller oksygenanrikning benyttes, reduseres massen av den oksyderende gasstrålen sammenliknet med strålen i et luftsystem av to hovedgrunner. For det første eliminering av en del eller all nitrogenmasse som følge av oksygenanrikningen og for det annet reduksjon av oksygen-behovet for forbrenningen, idet det nitrogen som er eliminert ikke lenger må varmes opp. Derfor må hastigheten av den oksyderende strålen økes for at strålen skal ha tilstrekkelig hastighet for oppnåelse av god blanding og gassresirkulasjon i ovnen, hvilket er nødvendig for jevn varmeoverføring i ovnen.

For oppfinnelsen bør den minst oksyderende gasshastighet (målt ved den oksyderende gassdysens munning) som er nødvendig for oppnåelse av god blanding og resirkulasjon være større enn den som fremkommer av følgende empiriske likning:

hvor V er den oksyderende gasshastigheten i m/sek. og P er oksygeninnholdet i den oksyderende gassen i det nærværende volum, forutsatt at blanding og resirkulasjon som oppnås ifølge oppfinnelsen skal være minst like heftig som ved et luftsystem.

Den oksyderende gasshastigheten ved en konvensjonell luftovn er gjerne i en størrelsesorden på ca. 15-30 m/sek. En ovn hvor det benyttes 100% oksygen og samme hastighet som ved et tilsvarende luftsystem ville drives med en oksyderende gasshastighet i området ca. 135-285 m/sek., forutsatt en brennstoffbesparelse på 50%. For oppnåelse av hastighetsnivå som kan sammenliknes med eller er høyere enn det som oppnås i konvensjonelle luftsystemer, bør gasshastigheten normalt være minst 150 m/sek. og fortrinnsvis høyere enn 240 m/sek. Det foretrukne hastighetsområdet er 135-305 m/sek.

I fig. 3a sees et skjematisk frontriss av en utførelsesform av oksygeninnsugningsbrenneren ifølge oppfinnelsen, som har trekk for gjennom-føring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 3b er et skjematisk aksial snitt av samme brenner. Brenneren 1 har en brennstof f tilførsel 2 og en oksyderende gasstilførsel 3 som leder til et flertall oksyderende gassdyser 4 med diameteren D. De oksyderende gassdysene 4 er jevnt fordelt over en sirkel 5 rundt brennstof f dysen 6 i en avstand X fra kanten av dysen 6. Det skal dog bemerkes at hverken sirkulære dysean-ordninger eller jevn innbyrdes avstand mellom dysene er avgjørende for gjennomføring av foreliggende oppfinnelse. Omtalte anordning og avstander representerer bare et hensiktsmessig utførelseseksempel. Det kan tenkes utførelser av oppfinnelsen hvor andre anordninger, f.eks. en parallell rekke av oksyderende gassdyser med en avstand X fra og anbrakt som en ramme for en eller flere brennstof f dyser foretrekkes. Også asymmetriske oksyderende gasdyseanordninger som vil gi flamme-reduksjon på en side og oksydasjon på den andre er mulige. Avgjørende er at avstanden X mellom en brennstof f dyse og nærmeste oksyderende gassdyse i det minste er fire ganger den oksyderende gassdysens indre diameter, slik at det blir tilstrekkelig plass mellom de tilsvarende strålene for sikring av innsuging av tilstrekkelig ovnsgass i de oksyderende gasstrålene 8 før strålen 9 blander seg med de oksyderende gass-strålene 8.

Fortrinnsvis er brennstof f dysen 6 forsynt med et flammestabiliserende organ. I fig. 3 er brennstof f dy sen 3 forsynt med en ring 10, som er forbundet med den oksyderende hovedgassforsyningen 3 via en kanal 7, gjennom hvilken en forholdsvis liten oksyderende gassmengde innsprøytes for å danne en oksyderende gassomhylling (11) rundt brennstof f strålen for derved å tilveiebringe en kontinuerlig flammefront og for stabilisering av flammen. 5-10% av den oksyderende gassen er tilstrekkelig for den oksyderende gassomhyllingen. En fullstendig oksyderende gassomhylling er ikke nødvendig. Det er nok med en liten mengde (5-10%) av den oksyderende gassen nær brennstof f strålen for opprettelse av en flammefront.

Under drift blir de oksyderende gasstrålene 8 og brennstoffstrålen 9 sprøytet inn i ovnen. På grunn av avstanden X mellom hver dyse 14 og dysen 6 blir det en avstand 12 mellom strålene 8 og strålen 9 som begrenses av brennerens 1 front i den ene ende og området 13 hvor brennstoff og de oksyderende strålene blandes og forbrenning finner sted i den annen ende. Ovnsgasser, som i de tilfelle hvor oksygen benyttes som oksyderende gass i det vesentlige består av forbrenningsprodukter (under forutsetning av effektiv blanding og gassresirkulasjon), suges inn i de raske oksyderende gasstrålene 8 fra disse strålenes omgivelser inklusive rommet 12. De oksyderende gasstrålene 8 blander seg deretter med brennstoffstrålen for dannelse av en resulterende, ikke vist stråle i området 13. Resirkulerende ovnsgasser strømmer til området nær strålene 8 inklusive rommet 12, hvor den igjen suges inn i den oksyderende gasstrålen 8 for effektiv fortynning av oksygenet i den. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er således i stand til å utnytte ovnsgass som erstat-ning for nitrogen for oppnåelse av samme eller en lavere flammetemperatur enn den normale flammetemperatur i et konvensjonelt system ved bruk av samme brennstoff og samme oksygeninnhold i oksygengassen, men ingen innsugning, og for å opprettholde samme eller høyere blandingsgrad, gassresirkuleringsbetingelser og jevn temperaturfordeling uten økning av NOx-utslippet. Tvert om reduseres NOx-utslippet.

Oppfinnelsen kan illustreres ytterligere ved ett eller flere av de følgeade eksempler:

Beregninger og eksperimenter ble gjennomført ved bruk av naturgass som brennstoff med følgende sammensetning og fyringsverdi:

Oppfinnelsen kan gjennomføres ved bruk av andre gassformede eller flytende brennstoffer eller en dispersjon av fast brennstoff i et fluidum, f.eks. metan, propan, dieselolje, likesom syntetiske brennstoffer, som en blanding av H2 og CO.

Andelen av overskytende oksyderende gass forutsettes å være slik at oksygenkonsentrasjonen i avtrekket er 2 volum-%. Dette oppnås ved 111,6% av støkiometrisk oksyderende gass ved bruk av luft og ved 103,1% slik oksyderende gass når oksygen benyttes som oksyderende gass. Oksygeninnsugningsbrenneren var av den type som er skjematisk vist i fig. 3a og 3b. Det ble undersøkt oksygendysediametre på 1,59 mm, 2,38 mm og 3,17 mm. Det ble gjort forsøk med totalt seks eller åtte dyser anordnet i jevn avstand rundt en sirkel med brennstof f dysen i sentrum. Sirkelens diameter ble variert fra 50 til 127 mm. Det ble sørget for at en del - av den oksyderende gassen kunne passere gjennom en ring rundt brennstoffdysen for å stabilisere flammen. Forskjellige forbrenningspara-metre ble undersøkt og sammenliknet med konvensjonell praksis i en eksperimentell ovn 61, som er antydet i fig. 6 og konstruert for å simulere industridrift. Ovnen ble foret med ildsfast materiale 62 med en beskyttelseskappe 63 i bunnen og med innvendige dimensjoner på 1,2 x 1,2 x 2,4 m. Utgangseffekt fra brennerne 64 i ovnen var 0,15 og 0,29 Mj/sek.

Det ble brukt tre forskjellige brennere: En ifølge oppfinnelsen som beskrevet ovenfor og to konvensjonelle brennere, betegnet A og B og skjematisk antydet i fig. 4, henholdsvis 5. Fig. 4 vise brenneren A en konvensjonell hvirvelbrenner montert på en ildsfast brennerblokk 41 (10,1 cm diameter, 28 cm lang) av ovnsvegg 42 på nisjemaner og en sentral brennstofftilførsel 43 (11,1 mm diameter), omgitt av den oksyderende gassdysen 44 (76 mm i diameter). Den oksyderende gassdysen 44 inne-holdt hvirvlingsorganer 45 for å gi den oksyderende gasstrømningen en tangensial komponent. Sammen med brennerblokken 41 virker dette stabiliserende på flammen.

Brenneren B som er vist i frontriss i fig. 5a og i aksialsnitt i fig. 5b, besto av konsentriske stråledyser, en brennstofftilførsel 51 omgitt av en oksygentilførsel 52. Den sentrale brennstof f dyse 53 (6,15 mm innvendig diameter) var omgitt av en ringformet oksyderende gassdyse 54 (9,25 mm innvendig diameter, 15,87 mm utvendig diameter).

Oppfinnelsen illustreres ytterligere i lys av følgende eksperiment-resultater:

1. Operasjonsstabilitet

Til å begynne med ble oksygeninnsugningsbrenneren brukt uten oksygen-ringen som omgir brennstof f strømmen. Brenneren virker ustabil med flammefronten svingende frem og tilbake mellom ovnens bakside og front. Dette fikk ovnen til å vibrere hver gang flammefronten beveget seg fra baksiden til fronten av ovnen mot brenneren. Ved at en del av oksygenet (ca. 5-10% av den totale oksygenstrømning) ble sendt gjennom ringen rundt brennstof f tilfør selen ble det opprettet en kontinuerlig flammefront nær brennerens overflate ved grenseflaten mellom oksygenomhyllingen og naturgassen. Dette stabiliserte forbrenningen i ovnen, eliminerte flamme-oscillasjoner og vibrasjon av ovnen. Den eneste synlige flammefront var den av den lille oksygenstrømning gjennom ringen som reagerte med en del av brennstoffet. Det var ingen synlig flammefront fra forbrennings-reaksjonene mellom oksygenstrålene og hovedmassen av naturgassen. -Dette i kontrast til konvensjonelle brennere som har en del avgrenset, synlig flamme.

Brenneren viste stabil drift med oksygenstråler med hastigheter opp til 294 m/sek. Høyere hastigheter er også mulige. I en prøveomgang hvor det ble brukt 15,8 m^ naturgass og 32,2 nv> oksygen, ble det f.eks. benyttet åtte oksygendyser med 1,59 mm diameter. Ca. 7% av oksygenet ble matet til ringen for å stabilisere flammen og resten strømmer gjennom dysene. Under disse forhold ble oksygenets hastighet beregnet til ca. 294 m/sek. ved et trykk på 0,77338 kp/cm^ ved dyseåpningen. Dysen hadde en rett boring slik at supersoniske hastigheter ble unngått i dysen. Oksygenet som forlot dysen ville ventelig ekspandere og få hastigheter i overkant av 294 m/sek. Brenneren virker stabilt ved dysene med sirkeldiameter på 50,8, 89,15 og 127 mm. Det viste seg at brenneren også fungerte stabilt med oksygenstråler med lav hastighet, skjønt dette har mindre praktisk interesse.

Brenneren fungerte stabilt ved et spektrum av reguleringsforhold fra høye til lave fyringshastigheter, hvor reguleringsforholdene var opp til 20:1. I en prøveomgang som simulerte forholdene i en spesiell industriovn, ble ovnstemperaturen holdt innenfor et snevert område ved at ovnen vekselvis ble drevet med svært høye og svært lave fyringshastigheter. I en av disse tester ble ovnen f.eks. drevet ved de fyringshastigheter som er angitt nedenfor.

Strømningshastighetene vekslet mellom høy og lav fyringshastighet via hurtigvirkende solenoidventiler. Brenneren fungerte stabilt ved begge fyringshastigheter uten ustabilitet under endringene fra høye til lave hastigheter eller omvendt. Det ble ikke funnet grenser i områdene for de utprøvede lave og høye fyringshastigheter som kunne benyttes for stabil brennerdrift. Det betyr at brennerens område for stabil drift er større enn det som ble brukt ved de gjennomførte prøver.

2. Sammenlikning med konvensjonell hvirvelbrenner.

En sammenlikning basert på nitrogenoksyd (NOx)-dannelse ble gjort mellom den nye oksygeninnsugningsbrenner og en konvensjonell hvirvelbrenner. Som vist i fig. 4 omfatter hvirvelbrenneren tangensial strømning av den oksyderende gassen og en ildfast brennerblokk for stabilisering av flammen. Blandingen av den oksyderende gassen likesom oppholdstiden i det ildfaste rør ved denne brenner var slik at forbrenningsproduktets temperatur var antatt nær den teoretiske flammetemperatur. Følgende NOx-målinger ble gjort i røkgassen ved bruk av den konvensjonelle hvirvelbrenner:

Ved disse prøvene lå temperaturen av forbrenningsgassene i skorsteinen i området 1150-1205° C. Fyringshastigheten ble justert for hver test-betingelse for at ovnstemperaturen og varmeoverføringshastigheten skulle synke tilnærmet konstant.

På grunn av de brennstoffbesparelser som oppnås når oksygen erstatter en del eller all forbrenningsluft, avtok fyringshastigheten når oksygeninnholdet i den oksyderende gassen økte. De oppnådde data viser at NOx økte med økende oksygeninnhold i den oksyderende gassen opp til 90% 02- Dette var ventet idet flammetemperaturen også økte, hvilket fremmer reaksjonskinetikken og ekvilibria for dannelse av NOx. Mellom 90% og 100% oksygen avtok NOx-dannelsen som følge av den lavere konsentra-sjon av tilgjengelig nitrogen. Ved industriell ovnsdrift vil NOx-dannelse ved bruk av 100% oksygen i en konvensjonell brenner sannsynligvis være mye høyere enn vist i tabellen, som følge av luftlekkasje til ovnen. NOx-dannelsen ved 90% O2 i den eksperimentelle ovn kan være nærmere det som ville oppnås med 100% O2 i en industriovn, forutsatt at en konvensjonell brenner blir brukt i begge tilfelle.

Når oksygeninnsugningsbrenneren som bruker 100% oksygen ble utprøvet ved sammenliknbare ovnsbetingelser (tilnærmet samme ovnstemperåtur og varmeoverføringshastighet til sumpen), var den målte NOx i størrelses-orden 0,0004 kg/GJ. Ved disse prøver ble det brukt åtte dyser med 1,59 mm diameter i sirkeldiametre på 50,8, 88,9 og 127 mm og 3,17 mm dyser i en sirkeldiameter på 50 mm. NOx-dannelsen var ved samtilige under-søkte betingelser betydelig lavere enn noen kjent NOx-utslippsstandard eller forskrift. Den resulterende flammetemperatur når ovnsgassene ble sugd i oksygenstrålene før blanding med brennstoffet var tydeligvis under den, der kinetikken for dannelse av NOx blir merkbar.

3. Sammenlikning med konvensjonelle konsentriske strålebrenner

( brenner B).

Prøver ble utført for sammenlikning av den nye oksygeninnsugningsbrenner ifølge oppfinnelsen med en konvensjonell brenner som besto av konsentriske brennstoff og oksygenstråler. Oksygeninnsugningsbrenneren hadde åtte oksygendyser, hver med en diameter på 2,38 mm i en sirkeldiameter på 50 mm. En skisse av den konsentriske strålebrenner er vist i fig. 5a og 5b. Prøvene ble gjennomført ved to betingelser som normalt er gunstige for dannelse av NOx:høy ovnsgasstemperatur og med lekkasjer til ovnen. Ved alle prøvebetingelser var fyringshastigheten 23 m^ naturgass kombinert med 47,3-48 m^ oksygen. Ovnsgasstemperaturen lå i området 1540-1593° C. (Ved kommersiell metallurgisk anvendelse, som gjennomvarmings- eller gjenoppvarmingsovner er den gjennomsnittlige ovnstemperatur vanligvis mellom ca. 1093 og 1371 °C). Lekkasjen til ovnen ble styrt fra 0 til 8,5 m^ luft. Resultatene i form av NOx-dannelse er innført i fig. 7.

For begge brenneres vedkommende økte NOx-utslippet med økende luftlekkasjehastighet. Men under sammenliknbare prøvebetingelser var NOx-dannelsen nesten en størrelsesorden lavere ved innsugningsbrenneren enn ved den konsentriske strålebrenner. NOx-utslippsnivået for innsugningsbrenneren var til enhver tid lavere enn noen kjent utslippsstandard for NOx ved samtlige undersøkte prøvebetingelser.

Claims

1. Fremgangsmåte for å brenne brennstoff, innbefattende samtidig innsprøyt-ning i et forbrenningsrom av i det minste en stråle med oksyderende gass, valgt fra gruppen bestående av oksygenanriket luft og oksygen, og i det minste en brennstoffstråle, idet brennstoffstrålen skilles fra den oksyderende gasstrålen og idet den oksyderende gasstrålen har en hastighet tilstrekkelig til å tilveiebringe blanding av den oksyderende gass- og brennstoffstrålen, karakterisert ved at - den oksyderende gass- og brennstoffstrålen sprøytes inn i ovnssonen, som hovedsakelig er tettet mot atmosfæren, - den oksyderende gasstrålen sprøytes inn med en hastighet ved punktet for den oksyderende gasstråleinnsprøytningen som er tilstrekkelig til å tilveiebringe gassresirkulasjon og blanding innenfor nevnte sone slik at det tillates hovedsakelig jevn oppvarming av ovnschargen, idet hastigheten er i det minste lik den verdien som er gitt av formelen: hvor V er hastigheten til den oksyderende gasstrålen i m/sek. og P er oksygeninnholdet til den oksyderende gassen i volumprosent, - brennstoffstrålen skilles fra den nærmeste oksyderende gasstrålen med en avstand X, idet avstanden X er målt mellom brennstoffstrålens ytre kant og den nærmeste oksyderende gasstrålens ytre kant ved deres respektive innsprøytningspunkter og i det minste lik den verdien som er gitt av formelen: hvor D er diameteren til den oksyderende strålen ved dens innsprøyt-ningspunkt, - innsugning av ovnsgasser fra nærheten av den oksyderende gasstrålen inn i den oksyderende gasstrålen i en mengde tilstrekkelig til å tilveiebringe en flammetemperatur, i løpet av påfølgende forbrenning, som er lavere enn den normale flammetemperaturen, idet innsugningen bevirkes før blandingen av den oksyderende gasstrålen med brennstoffstrålen finner sted.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som oksyderende gass anvendes en oksydérende gass som inneholder minst 30 volum-% oksygen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at som oksygenstråle anvendes en stråle med et hastighetsområde mellom omkring 135-305 m/sek.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at flere oksyderende gasstråler innsprøytes gjennom dyser anordnet i innbyrdes avstand rundt brennstoffstrålen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ovnsgasser innsuges i mengder som er tilstrekkelig til å tilveiebringe en flammetemperatur i løpet av påfølgende forbrenning lavere enn normal flammetemperatur med en verdi aT, som i det minste er lik den som fremkommer av formelen: hvor aT er i 'C og P er oksygeninnholdet til oksyderingsgassen i volumprosent.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved at 5-10% av den oksyderende gassen rettes nær brennstoffstrålen for dannelse av en oksyderende gassomhylling, slik at det dannes en flammefront og flammen stabiliseres.

7. Brenneranordning for bruk ved oksygen eller oksygenanriket luft som oksyderende gass, innbefattende i det minste en oksyderende gassstråle-dyse (4) med diameter (D) og i det minste en brennstof f stråledyse (6) anbrakt med avstand fra den oksyderende gasstråledysen for innsprøytn-ing av henholdsvis i det minste en stråle med oksyderende gass og i det minste en brennstoffstråle i et forbrenningsrom, karakterisert ved at - forbrenningsrommet er et ovnskammer, - den oksyderende gassdysen (4) har en diameter (D) mindre enn den gitte av formelen: hvor D er i meter, P er det volumprosentvise oksygeninnholdet til den oksyderende gassen, F er brennerens fyringshastighet i MJ/sek og N er antall oksyderende gasstråledyser, og - brennstoffstråledysen (6) er anbrakt i en avstand (X) fra nærmeste oksyderende gassdyse, hvor X måles fra kanten av brennstoffstråledysen til kanten av den oksyderende gasstråledysen, hvor X har en verdi som i det minste er lik den som fremkommer ved formelen X = 4D.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at den innbefatter flere oksyderende gassdyser (4) anbrakt med avstand i sirkulær anordning rundt brennstof f dysen (6).

9. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at avstanden (X) ligger mellom 8D og 20D.

10. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at den innbefatter et organ (10) for å lede 5-10% av den oksyderende gassen nær brennstoffstrålen for derved å skape en flammefront og stabilisere flammen.