SE532339C2 - Förfarande och anordning vid brännare - Google Patents

Description

532 333 alets yta till en förutbestämd sluttemperatur, och ett avslu- tande lågeffektsteg, häri benämnt ”temperaturutjämningssteg”, syftar till att låta hela metallmaterialet genom värmeledning anta en förutbestämd, homogen temperaturprofil.

Uppvärmningssteget kan exempelvis ta mellan 2 och 10 timmar, beroende på förutsättningarna, under vilken tid brännaren eller brännarna drivs vid eller nära sin optimala, höga ef- fekt. Temperaturutjämningssteget kan på motsvarande sätt ta mellan 1 och 40 timmar, och involverar betydligt lägre brän- nareffekter.

Under delar av uppvärmningssteget är ugnstemperaturen väsent- ligen lägre än. den önskade processtemperaturen, vilket gör att det värmeabsorberande materialet i värmebufferten inte kan värmas till den temperatur som krävs för att brännaren skall nå maximal effektivitet.

Vidare är' regenerativa brännare, sonl är dimensionerade för uppvärmningssteget, på samma gång överdimensionerade för temperaturutjämningssteget, varför deras effekt måste regle- ras ned under detta steg. Detta kan exempelvis ske med hjälp av ett så kallat till/frånförfarande, där brännaren omväxlan- de och periodiskt slås till eller från. Detta medför bland annat att temperaturen i värmebufferten minskar under den frånslagna tiden, vilket väsentligt minskar brännarens effek- tivitet.

På grund av de ovan beskrivna övervägandena beträffande val av optimal förbränningseffekt utformas ofta brännare med en maximal effekt i närheten av den som krävs regenerativa under uppvärmningssteget. Detta medför väsentliga kostnader och/eller konstruktionsförändringar om en ännu högre effekt 532 339 senare av någon anledning skulle behövas, eftersom regenera- tiva brännare är förhållandevis stora och klumpiga till sin utformning och eftersom varje sådan brännare dessutom normalt kräver korrekt dimensionerade fläktanordningar, som. därför också måste bytas, för att föra gaserna genom värmebufferten.

Föreliggande uppfinning löser de ovan beskrivna problemen.

Således hänför sig uppfinningen till en brännaranordning för satsvis värmning i en industriugn innefattande en kanal för bränsle, en kanal för en första oxidant, ett utlopp för för- bränningsgaser, en regleranordning samt en värmebuffert, där den första oxidanten och förbränningsgaserna omväxlande leds genom värmebufferten, och där en separat lansanordning är anordnad att tillföra en andra oxidant till brännaranordning- en, och utmärks av att den separata lansanordningen är anord- nad att tillföra den andra oxidanten till brännaranordningen genom samma kanal som den första oxidanten och vid en hastig- het som är åtminstone ljudhastigheten.

Uppfinningen hänför sig även till ett förfarande av det slag och med huvudsakligen de särdrag som anges i patentkravet 8.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i detalj, till med hänvisning exemplifierande utföringsformer av uppfinningen och bifogad ritning, där: Figur 1 är en sidovy som översiktligt och principiellt visar en brännaranordning enligt uppfinningen.

I en industriugn 1 för satsvis värmning av' metallmaterial finns en regenerativ brännaranordning 2 anordnad. Fler än en brännaranordning kan vara anordnade i ugnen 1, beroende på 532 339 den aktuella tillämpningen. Speciellt kan brännaranordningar anordnas parvis i industriugnen 1, varvid sådana brännarpar kan drivas på ett alternerande sätt.

Brännaranordningen 2 innefattar en kanal 3 för bränsle och en kanal 4 för en första oxidant. Bränslet kan vara vilket lämp- ligt, gasformigt bränsle som helst, såsom propan eller natur- gas. Den första oxidanten är exempelvis luft, men kan även vara syreberikad luft eller syrgas med ett syreinnehåll av åtminstone 80 viktsprocent. Brännaranordningen 2 ger upphov till en flamma (inte visad), som är riktad in i ugnsutrymmet och därmed värmer detta. Brännaranordningen 2 kan även vara av typen DFI (direct flame impingement), och/eller av så kallad flamlös typ, varvid en visuellt synlig flamma saknas.

Brännaranordningen. 2 innefattar vidare ett tillförselrör 5 för bränsle och ett tillförselrör 8 för den första oxidanten.

Den första oxidanten tillförs genom tillförselröret 8 och in i en värmebuffert 7, innehållande ett värmeabsorberande mate- rial såsom beskrivits ovan, och därefter vidare till kanalen 4.

Från värmebufferten 7 löper även ett utloppsrör 9 för för- bränningsgaser.

Tillförselröret 5 för bränsle, tillförselröret 8 för den första oxidanten och ett utloppsrör 9 för förbränningsgaser är alla anslutna till en regleranordning lO, sonl reglerar driften för brännaranordningen 2.

Regleranordningen lO kan reglera brännaranordningen, 2 till att drivas antingen i förbränningsläge eller i återvärmnings- läge. I förbränningsläge tillförs bränsle och den första 532 339 oxidanten genom rören 5 respektive 8, och blandningen för- bränns så att ugnsutrymmet värms upp. I àtervärmningsläge tillförs inte bränsle eller den första oxidanten, utan för- bränningsgaser förs ut ur ugnsutrymmet, genom kanalen 4 för den första oxidanten, vidare till värmebufferten 7 och ut genom utloppsröret 9, för vidare bortforsling. Således värms det värmeabsorberande materialet i värmebufferten 7 av de heta förbränningsgaserna under àtervärmningsläget, och den rumstempererade, första oxidanten förvärms av samma material i värmebufferten 7 under förbränningsläget.

Regleranordningen 10 reglerar de in- och utgående gasflödena på lämpligt sätt, exempelvis genom ett ventilarrangemang (inte visat) och/eller med hjälp av lämpliga kända fläktar (inte visade).

Brännaranordningen 2 kan även innefatta ett separat anordnat utloppsrör för förbränningsgaser som löper ut ur ugnsutrymmet och in i värmebufferten 7.

Vid drift åstadkommer regleranordningen 10 att brännaranord- ningen 2 alterneras mellan förbränningsläge och återvärm- ningsläge, varvid värmeenergin i förbränningsgaserna tillva- ratas för förvärmning av den första oxidanten, vilket ökar förbränningseffektiviteten. Antingen kan en1 enda brännaran- ordning användas, vilken då endast värmer ugnsutrymmet när den drivs i förbränningsläge, eller så kan flera brännaran- ordningar användas i kombination. I det senare fallet kan en eller flera brännaranordningar drivas i uppvärmningsläge och resterande brännaranordningar i àtervärmningsläge, vilket gör att ugnsutrymmet hela tiden kan värmas utan uppehåll. Enligt en föredragen utföringsform drivs alla brännaranordningar 532 339 utom en i ett brännaraggregat i förbränningsläge och den sista sådana brännaranordningen drivs i återvärmningsläge.

Enligt en annan föredragen utföringsform drivs brännaranord- ningar parvis, så att den ena drivs i uppvärmningsläge samti- digt som den andra drivs i återvärmningsläge, varefter rol- lerna byts och så vidare.

Flera brännare kan dela samma värmebuffert 7. I detta fall används ett lämpligt känt ventilarrangemang för att styra den första oxidanten genonl en första kanal i värmebufferten 7 till de brännaranordningar som drivs i uppvärmningsläge, och samtidigt styra förbränningsgaserna från de brännaranordning- ar som drivs i återvärmningsläge genonx en andra, separat, kanal i. värmebufferten 7 och LN: genonm utloppsröret 9. Den första och den andra kanalen är i detta fall termiskt samman- kopplade, exempelvis genom att de delar samma värmeabsorbe- rande material i form av en gemensam vägg eller dylikt.

I kanalen för den första oxidanten 4 finns en lans 6, som matas med en andra oxidant. Denna andra oxidant utgörs före- trädesvis av åtminstone 80 viktsprocent syrgas, ännu mer föredraget av åtminstone 95 viktsprocent syrgas. En sådan hög koncentration av syrgas i den andra oxidanten medför bland annat hög förbränningseffektivitet.

Lansen 6 är också ansluten till, och styrs av, regleranord- ningen 10.

I en regenerativ brännaranordning är en viktig faktor som begränsar den maximala förbränningseffekten mängden förvärmd oxidant som. kan föras ut genom kanalen för oxidant 4 per tidsenhet. Detta beror på kapaciteten hos värmebufferten 7 532 339 såväl som på det faktum att den uppvärmda oxidanten har lägre densitet än svalare oxidant, vilket gör att en större volym oxidant krävs för att nå samma mängd räknat i vikt. Däremot är det förhållandevis lätt att öka mängden tillfört bränsle.

Genom att den andra oxidanten tillförs genom lansen 6 är det därför möjligt att öka den maximala förbränningseffekten utan att dimensionerna hos brännaranordningens 2 komponenter i övrigt måste ökas, vilket skulle leda till de ovan beskrivna problemen med överdimensionering under temperaturutjämnings- steget.

Det är vidare föredraget att den andra oxidanten tillförs vid en hög hastighet, företrädesvis en hastighet som överstiger cirka 200 m/s, ännu mer föredraget en hastighet som åtminsto- ne uppgår till ljudhastigheten. Detta skapar ejektorverkan, vilket minskar trycket nedströms om värmebufferten 7, vilket i sin tur resulterar i ett ökat flöde av förvärmd oxidant och därmed ökad effektivitet. Samtidigt deltar naturligtvis den tillförda andra oxidanten i förbränningsreaktionen, och bi- drar därmed till en högre förbränningseffekt.

Mängden av den andra oxidanten som tillförs genom lansen 6 kan regleras antingen genom att reglera storleken hos lansens 6 mynning eller genom att reglera trycket hos den genom lan- sen 6 tillförda, andra oxidanten, och kan väljas beroende på syftet med den aktuella tillämpningen, önskad förbränningseffekt, i termer exempelvis av önskad syrgasberikning och gräns- värden för olika förbränningsprodukter~ såson1 NOX-gaser. Re- gleringen kan ske kontinuerligt under drift, antingen genom en kontinuerlig förändring av trycket uppströms om lansen 6 eller enligt ett till/fránförfarande, eller en enda gång före initieringen av ett visst driftssteg. 532 339 Genom sådan reglering är det således möjligt att, till skill- nad från vad som är fallet för kända regenerativa brännaran- ordningar, effekt över ett reglera brännaranordningens 2 brett effektintervall, utan att effektiviteten vid en given effekt inom detta intervall väsentligen försämras.

Därmed kan den regenerativa brännaranordningen 2 optimeras för drift även under ett temperaturutjämningssteg, då effekt- behovet är relativt lågt, Under detta vilket medför hög effektivitet. steg tillförs således lite eller ingen andra oxidant genom lansen 6. Eftersom brännaranordningens 2 effekt då är låg minskar eller försvinner behovet av ett till/frånförfarande för att ytterligare minska effekten under detta steg.

Under ett uppvärmningssteg som föregår temperaturutjämnings- steget, då effektbehovet hos brännaranordningen 2 är högre, tillförs å andra sidan den andra oxidanten genom lansen 6 i förhållandevis stor utsträckning. Detta medför att förbrän- ningseffekten ökar markant, med bibehållen hög effektivitet.

I själva verket medför den med hög hastighet tillförda, yt- terligare andra oxidanten att den värmande effekten hos brän- naranordningen 2 ökar i jämförelse med konventionella, rege- nerativa brännaranordningar 2, vilket minskar den erfordrade tiden för att fullborda uppvärmningssteget.

Mängden av den andra oxidant som lansas i brännaranordningen 2 kan regleras på olika sätt, såsom beskrivits ovan, men den genomsnittliga mängden tillförd andra oxidant per tidsenhet är mindre under temperaturutjämningssteget än under uppvärm- ningssteget. 532 333 Dessutom är det möjligt att tillämpa föreliggande uppfinning på många befintliga, regenerativa brännaranordningar utan att några större ingrepp krävs förutom att installera en lans för ytterligare oxidant i den befintliga brännaranordningen.

Specifikt behöver befintliga fläktanordningar och annan kringutrustning normalt inte bytas ut. Således åstadkommer uppfinningen ett förhållandevis billigt sätt att väsentligt bredda det effektintervall över vilka en hög förbränningsef- fektivitet kan upprätthållas, och samtidigt uppnå en ökning av den maximala effekten hos den befintliga förbränningsan- ordningen.

Ovan har föredragna utföringsformer beskrivits. Emellertid är det uppenbart för fackmannen att många förändringar kan göras av de beskrivna utföringsformerna utan att frångà uppfinning- ens tanke.

Exempelvis är det möjligt att anordna flera kanaler för en första oxidant i brännaranordningen 2. ÄI detta fall är det föredraget att anordna en lans för en andra oxidant i varje sådan kanal för den första oxidanten. Med hjälp av ett sådant arrangemang kan en större kontroll över den från brännaran- ordningen resulterande làgan uppnås, effekt kan ökas. och brännaranordningens Det är även möjligt att anordna lansar för den andra oxidanten i endast en eller endast i vissa av kana- lerna för den första oxidanten.

Sålunda skall uppfinningen inte vara begränsad av de beskriv- na utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för de bifogade kraven.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 532 333 10 P .A T E N T K R. A 'V

1. l. Brännaranordning (2) för satsvis värmning i en industri- ugn (1) innefattande en kanal (3) för bränsle, en kanal (4) för en första oxidant, (10) och ett utlopp (9) för förbränningsgaser, (7), omväxlande där den leds en regleranordning samt en 'värmebuffert första oxidanten förbränningsgaserna (7), (6) är anordnad att tillföra en andra oxidant till brännaran- (2), lansanordningen (6) genom värmebufferten och där en separat lansanordning ordningen k ä n n e t e c k n a d a v att: den separata är anordnad att tillföra den andra oxi- danten till brännaranordningen (2) genom samma kanal (4) som den första oxidanten och vid en hastighet som är åtminstone ljudhastigheten.

2. Brännaranordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d a v att brännaranordningen (2) är anordnad att värma metall- material satsvis i industriugnen (1).

3. Brännaranordning t e c k n a d enligt krav 1, eller 2, k ä n n e - a v att den första oxidanten är luft.

4. Brännaranordning enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d a v att den andra oxidanten utgörs av åtminstone 80 viktsprocent syrgas.

5. Brännaranordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v att den andra oxidanten utgörs av åtminstone 95 Vikts- procent syrgas.

6. Brännaranordning enligt något av föregående krav, k ä n - n e t e c k n a d a v att regleranordningen (10) är anordnad att reglera tillförseln av den andra oxidanten kontinuerligt under drift. 10 15 20 25 30 35 532 339 11

7. Brännaranordning enligt något av kraven 1 - 6, k ä n - n e t e c k n a d a v att regleranordningen (10) är anordnad att reglera tillförseln av den andra oxidanten med hjälp av ett till/frånförfarande.

8. Förfarande för att öka effektiviteten vid uppvärmning av en industriugn (1) för satsvis drift med hjälp av en brännar- anordning (2) en kanal innefattande en kanal (3) för bränsle, (4) för en första oxidant, ett utlopp (9) (7), och för förbränningsga- ser samt en värmebuffert i vilken brännaranordning (2) den första oxidanten omväxlande förbränningsgaserna bringas att ledas genom värmebufferten (7), och vari en lans- anordning (6) bringas att tillföra en andra oxidant till brännaranordningen (2), k ä n n e t e c k n a t a v kombina- tionen av för det första att lansanordningen (6) bringas att tillföra den andra oxidanten till brännaranordningen (2) dels genom samma kanal (4) som den första oxidanten och dels vid en hastighet som är åtminstone ljudhastigheten, och för det andra att den andra oxidanten bringas att tillföras under ett första uppvärmningssteg och den genomsnittliga tillförseln per tidsenhet av den andra oxidanten därefter helt eller delvis bringas att ndnskas under ett andra temperaturutjäm- ningssteg.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t a v att uppvärmningen bringas att vara satsvis uppvärmning av metallmaterial i industriugnen (l).

10. Förfarande enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a t a v att den första oxidanten bringas att vara luft.

11. ll. Förfarande enligt något av kraven 8 till lO, k ä n n e - t e c k n a t a v att den andra oxidanten bringas att utgö- ras av åtminstone 80 viktsprocent syrgas.