WO2002044617A1 - Method of combustion and impulse current controlled fuel/oxygen lance - Google Patents

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WO2002044617A1
WO2002044617A1 PCT/EP2001/013805 EP0113805W WO0244617A1 WO 2002044617 A1 WO2002044617 A1 WO 2002044617A1 EP 0113805 W EP0113805 W EP 0113805W WO 0244617 A1 WO0244617 A1 WO 0244617A1
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Definitions

  • the invention relates to a method and a pulse flow controlled fuel / oxygen lance for the afterburning of products from incomplete combustion.
  • a thermal nozzle combustion process is known from DE 693 14 903 T2.
  • an oxidizing agent with an oxygen concentration of at least 30% at an initial speed of 15.2 to 61 m / s and separately from that is introduced into the thermal nozzle designed as a lance
  • Oxidizing agent Fuel is introduced into an oxidizing agent feed channel at a speed of more than 61 m / s and burns up to about 20% of the oxygen with fuel therein.
  • the combustion reaction products generated during the combustion of the fuel are mixed with the remaining oxygen of the oxidizing agent within the oxidizing agent supply channel and the oxygen stream heated up to 1650 ° C. is injected into the combustion zone at 152 to 610 m / s through an outlet nozzle.
  • This known thermal nozzle combustion process is limited to oxygen supply systems with low source pressure. It is disadvantageous that the oxidant supply channel must be dimensioned very large due to the existing impulse flow ratios between natural gas and oxygen. This results in very high investment costs. In addition, the durability of the oxidant supply channel is low, which can result in high operating costs for maintenance. The availability of the furnace system is reduced and there is a loss of production.
  • No. 5,823,762 describes a system for generating gas jets of different designs.
  • nitrogen, argon or carbon dioxide as the main gas and propane, natural gas and other hydrocarbons as well as a gaseous fuel as well as an oxidizing agent containing oxygen or only consisting of oxygen are introduced into the nozzle in different flow rates / flow rates through channels arranged separately from one another, so that the one generated in the nozzle Gas jet flows out of the nozzle at the speed of sound. Due to the high impulse currents that are generated by the speed of sound of the gas jet, deflections and reflections can occur in certain phases of the production process, which affect the refractory delivery or the can destroy the water-cooled elements of the oven. This results in high operating costs for the repair of the furnace and additional production costs.
  • the object of the invention is therefore to provide a generic
  • Combustion process which allows a more economical and flexible process compared to the prior art by means of an oxidant feed that is flexibly adapted to the requirements. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a generic fuel / oxygen lance which is suitable for such a method.
  • the fuel / oxygen lance is fed a fossil fuel, for example natural gas, through the axial fuel channel via the fuel nozzle arranged with a concentric sleeve at 15-50 m / s into the mixing chamber.
  • a fossil fuel for example natural gas
  • the oxygen flows into the mixing chamber via the oxygen supply through an oxygen channel surrounding the axial fuel channel via the primary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
  • oxygen is introduced into the mixing chamber of the fuel / oxygen lance via the oxygen supply through the oxygen channel surrounding an axial fuel channel via a secondary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
  • the fuel in the mixing chamber is completely burned with the oxygen introduced through the primary cross section.
  • the combustion reaction products generated during the combustion of the fuel heat the oxidizing agent introduced into the mixing chamber to at least 560 ° C.
  • the stoichiometric amount of oxygen required for the combustion of the fuel which corresponds to 8-24 vol.% Of the total oxygen, is introduced into the primary cross section and as the oxidizing agent
  • Oxygen to be introduced into the combustion zone is introduced into the mixing chamber through the secondary cross section at flow velocities of 70 to 200 m / s or 95 to 225 m / s.
  • the secondary cross section has a value that is at least 5.5 times larger than the primary cross section.
  • the oxidizing agent heated to at least 560 ° C. in the mixing chamber of the fuel / oxygen lance by means of the combustion reaction products is passed through the outlet nozzle out of the copper mixing chamber with a Speed of at least Mach 0.8 injected into the combustion zone.
  • the length L of the mixing chamber corresponds to at least 2.5 times the diameter D of the outlet nozzle.
  • the fuel / oxygen lance with water cooling is made of copper in the mixing chamber area, the fuel channel and the oxygen channel are made of stainless steel pipes.
  • the thermal nozzle combustion process used for the afterburning of products from incomplete combustion ensures a substantial improvement in the heat transfer conditions in the combustion zone by means of the oxygen input into the combustion zone which is adapted to the respective process conditions by means of the fuel / oxygen lance according to the invention.
  • a fuel for example natural gas
  • a fuel nozzle 2 concentrically enclosed by a sleeve 5 at 20 to 80 m 3 / h and with a Velocity in the range of 15-50 m / s is introduced into a mixing chamber 8 equipped with an outlet nozzle 9 arranged at the end.
  • the stoichiometric oxygen required to burn the fuel introduced into the mixing chamber 8 is fed to the mixing chamber 8 via an oxygen supply 3 through an oxygen channel 4 surrounding the axial fuel channel 1 via a primary cross section 6 connected to the oxygen channel 4 and the mixing chamber 8.
  • the one in the Mixing chamber 8 as an oxidizing agent for the combustion zone is heated to at least 560 ° C. by the combustion reaction products formed during the combustion of the fuel with the oxygen supplied through the primary cross section 6 and flows through the front-side outlet nozzle 9 of the mixing chamber 8 at a speed of at least 0.8 Get into the combustion zone.
  • the secondary cross section 7 is at least 5.5 times larger than the primary cross section 6.
  • the length L of the copper mixing chamber 8 is at least 2.5 times larger than the diameter D of its outlet nozzle 9.
  • the fuel / oxygen consisting of copper and stainless steel pipes
  • the lance is further equipped with a cooling water tract 10 surrounding the mixing chamber 8 and the oxygen channel 4 with the primary and secondary cross sections 6, 7 and a cooling water supply and cooling water discharge 11, 12.
  • the fuel / oxygen lance according to the invention was successfully tested in an electric arc furnace in a process for the afterburning of products from incomplete combustion.
  • two fuel / oxygen lances were arranged in the area of the hot gas manifold in the furnace wall with an angle of inclination of 30 ° to the horizontal downwards and tangentially into the space between the electrode and the furnace wall, so that the main exhaust gas flow is recorded with a superimposed oxygen flow cover.
  • the fuel / oxygen lances were operated as fuel / oxygen burners in the initial phase of melting down.
  • the combustion output per device was specified in accordance with the scrap ratios between 1.0 and 1.5 MW.
  • the combustion ratio was set between 0.9 and 2.0 depending on the oxygen content in the furnace.
  • the natural gas supply was reduced and oxygen injection rates adjusted to match the oxygen content in the exhaust gas between 5 to 20 m 3 / min, this corresponds to a specific oxygen consumption of 2 to 8 m 3 / tfl.
  • no oxygen was passed through the fuel / oxygen lances.
  • approximately 30 m 3 of natural gas and 60 m 3 of oxygen per hour and fuel / oxygen lance were applied to the fuel / oxygen lances to keep the outlet nozzles 9 free.
  • degrees of afterburning of at least 75% are achieved, with a saving potential of electrical energy per cubic meter of oxygen of at least 4.5 KWh being achieved.
  • the kinetic energy of the oxygen jet can be adapted to the process sequence by varying the proportion of fuel

Abstract

The invention relates to a method and an impulse current controlled fuel/oxygen lance for the after-burning of products from incomplete combustion. According to the invention, oxygen, introduced into the mixing chamber (8) of the fuel/oxygen lance as oxidising agent, is heated to at least 560º C, by the combustion reaction products from combustion of fuel in the mixing chamber (8) and injected into the combustion zone at a speed of at least Mach 0.8. The disclosed thermal jet combustion process guarantees substantially improved heat transfer relationships in the after-burning of products of incomplete combustion in the combustion zone, by means of an impulse current controlled oxygen input matching the current process conditions with a low specific oxygen consumption.

Description

Verbrennungsverfahren und impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff- LanzeCombustion process and pulse flow controlled fuel / oxygen lance
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung.The invention relates to a method and a pulse flow controlled fuel / oxygen lance for the afterburning of products from incomplete combustion.
Ein thermisches Dusenverbrennungsverfahren ist aus der DE 693 14 903 T2 bekannt. Bei diesem Verfahren wird in die als Lanze ausgebildeten thermischen Düse ein Oxidationsmittel mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 30% mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 15,2 bis 61 m/s und separat von demA thermal nozzle combustion process is known from DE 693 14 903 T2. In this method, an oxidizing agent with an oxygen concentration of at least 30% at an initial speed of 15.2 to 61 m / s and separately from that is introduced into the thermal nozzle designed as a lance
Oxidationsmittel Brennstoff mit einer Geschwindigkeit von mehr als 61 m/s in einen Oxidationsmittelzufuhrkanal eingebracht und in diesem bis zu etwa 20% des Sauerstoffs mit Brennstoff verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte werden mit dem verbleibenden Sauerstoff des Oxidationsmittels innerhalb des Oxidationsmittelzufuhrkanals gemischt und der bis auf 1650 ° C erwärmte Sauerstoffstrom mit 152 bis 610 m/s durch eine Auslaßdüse in die Verbrennungszone eingedust. Dieses bekannte thermische Dusenverbrennungsverfahren beschränkt sich auf Sauerstoff-Versorgungssysteme mit niedrigem Quellendruck. Nachteilig ist, daß der Oxidationsmittelzufuhrkanal aufgrund der vorhandenen Impulsstromverhältnisse zwischen Erdgas und Sauerstoff sehr groß dimensioniert werden muß. Daraus resultieren sehr hohe Investkosten. Zudem ist die Haltbarkeit des Oxidationsmittelzufuhrkanals gering, wodurch hohe Betriebskosten für die Instandhaltung entstehen können. Die Verfügbarkeit der Ofenanlage verringert sich und es kommt zu Produktionsverlusten.Oxidizing agent Fuel is introduced into an oxidizing agent feed channel at a speed of more than 61 m / s and burns up to about 20% of the oxygen with fuel therein. The combustion reaction products generated during the combustion of the fuel are mixed with the remaining oxygen of the oxidizing agent within the oxidizing agent supply channel and the oxygen stream heated up to 1650 ° C. is injected into the combustion zone at 152 to 610 m / s through an outlet nozzle. This known thermal nozzle combustion process is limited to oxygen supply systems with low source pressure. It is disadvantageous that the oxidant supply channel must be dimensioned very large due to the existing impulse flow ratios between natural gas and oxygen. This results in very high investment costs. In addition, the durability of the oxidant supply channel is low, which can result in high operating costs for maintenance. The availability of the furnace system is reduced and there is a loss of production.
In US 5,823,762 ist ein System zur Erzeugung von Gasstrahlen unterschiedlicher Ausbildung beschrieben. Dazu wird als Hauptgas Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid und als gasförmiger Brennstoff Propan, Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe sowie ein sauerstoffhaltiges oder nur aus Sauerstoff bestehendes Oxidationsmittel in unterschiedlichen Mengenströmen/Strömungsgeschwindigkeiten durch getrennt voneinander angeordneten Kanälen in die Düse eingebracht, so dass der in der Düse erzeugte Gasstrahl mit Schallgeschwindigkeit aus der Düse ausströmt. Aufgrund der hohen Impulsströme, die durch die Schallgeschwindigkeit des Gasstrahles erzeugt werden, kann es in bestimmten Phasen des Produktionsablaufes zu Ablenkungen und Reflexionen kommen, welche die feuerfeste Zustellung bzw. die wassergekühlten Elemente des Ofens zerstören können. Dadurch entstehen hohe Betriebskosten für die Instandsetzung des Ofens und zusätzliche Produktionskosten.No. 5,823,762 describes a system for generating gas jets of different designs. For this purpose, nitrogen, argon or carbon dioxide as the main gas and propane, natural gas and other hydrocarbons as well as a gaseous fuel as well as an oxidizing agent containing oxygen or only consisting of oxygen are introduced into the nozzle in different flow rates / flow rates through channels arranged separately from one another, so that the one generated in the nozzle Gas jet flows out of the nozzle at the speed of sound. Due to the high impulse currents that are generated by the speed of sound of the gas jet, deflections and reflections can occur in certain phases of the production process, which affect the refractory delivery or the can destroy the water-cooled elements of the oven. This results in high operating costs for the repair of the furnace and additional production costs.
Ein weiteres Verbrennungsverfahren zur Verbesserung der Energiezufuhr beim Aufheizen und Schmelzen eines Schrotthaufwerkes ist durch DE 195 21 518 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels einer Keramikdüse oder einer wassergekühlten Düse ein sauerstoffhaltiger Heißluftstrahl bzw. nur Sauerstoff mit mindestens 500°C und mit mindestens 300 m/s mit oder ohne fossilen Brennstoffzusatz in das in einer Verbrennungszone zu schmelzende Schrotthaufwerk eingetragen. Bei diesem bekannten Verbrennungsverfahren ergibt sich ein großer apparativer Aufwand für die Erzeugung der Heißluft über sogenannte Pebble-Heater verbunden mit hohen Investitionskosten. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Heißwinddüsen einen großen Durchmesser aufweisen. Zum Freihalten der Düsen sind große Schutzgasmengen in Form von Sauerstoff oder Luft erforderlich. Wird Sauerstoff als Schutzgas verwendet, entstehen hohe Betriebskosten. Beim Einsatz von Luft als Schutzgas zum Freihalten der Düsen kommt es neben zusätzlichen Kosten für die Regel- und Sicherheitstechnik aufgrund der hohen Luftdurchsätze zu wärmetechnischen Verlusten im Ofen, die einen höheren Energieverbrauch zur Folge haben.Another combustion process for improving the energy supply when heating and melting a scrap pile is known from DE 195 21 518 C1. In this method, an oxygen-containing hot air jet or only oxygen at least 500 ° C. and at least 300 m / s with or without fossil fuel additive is introduced into the scrap heap to be melted in a combustion zone by means of a ceramic nozzle or a water-cooled nozzle. In this known combustion process, there is a large expenditure on apparatus for generating the hot air via so-called pebble heaters combined with high investment costs. Another disadvantage is that the hot wind nozzles have a large diameter. Large quantities of inert gas in the form of oxygen or air are required to keep the nozzles clear. If oxygen is used as a protective gas, there are high operating costs. When using air as a protective gas to keep the nozzles free, there are additional costs for the control and safety technology due to the high air throughputs, as well as thermal losses in the furnace, which result in higher energy consumption.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass diese bekannten thermischen Dusenverbrennungsverfahren die gestellten Forderungen in Bezug auf niedrige Betriebskosten für die Schutzgasmengen zum Freihalten der Düsen und hohe thermischen Wirkungsgrade für die Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung nur teilweise erfüllen, also nur in begrenzten Bereichen ökonomisch sind.In summary, it can be stated that these known thermal nozzle combustion processes only partially meet the demands made with regard to low operating costs for the shielding gas quantities for keeping the nozzles free and high thermal efficiencies for the afterburning of products from incomplete combustion, i.e. they are only economical in limited areas.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gattungsmäßigenThe object of the invention is therefore to provide a generic
Verbrennungsverfahrens, das durch einen flexibel an die Erfordernisse angepaßten Oxidationsmittel-Eintrag ein im Vergleich zum Stand der Technik ökonomischeres und flexibleres Verfahren ermöglicht. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze anzugeben, welche für ein derartiges Verfahren geeignet ist.Combustion process, which allows a more economical and flexible process compared to the prior art by means of an oxidant feed that is flexibly adapted to the requirements. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a generic fuel / oxygen lance which is suitable for such a method.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff- Lanze zur Nachverbrennung von unvollständig verbrannten Produkten sind durch die Merkmale von Anspruch 1 und 7 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The method according to the invention and the fuel / oxygen lance according to the invention for the afterburning of incompletely burned products are characterized by the features of claims 1 and 7. Advantageous embodiments of the invention can be found in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ein fossiler Brennstoff, beispielsweise Erdgas, durch den axialen Brennstoffkanal über die mit einer konzentrischen Hülse angeordnete Brennstoffdüse mit 15 - 50 m/s in die Mischkammer zugeführt.According to the invention, the fuel / oxygen lance is fed a fossil fuel, for example natural gas, through the axial fuel channel via the fuel nozzle arranged with a concentric sleeve at 15-50 m / s into the mixing chamber.
Zur Verbrennung des in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze vorliegenden Brennstoffs strömt der Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch einen den axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über den mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Primärquerschnitt in die Mischkammer ein.For the combustion of the fuel present in the mixing chamber of the fuel / oxygen lance, the oxygen flows into the mixing chamber via the oxygen supply through an oxygen channel surrounding the axial fuel channel via the primary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
Als Oxidationsmittel zur Verbrennung in der Verbrennungszone wird Sauerstoff über die Sauerstoffzuführung durch den einen axialen Brennstoffkanal umschließenden Sauerstoffkanal über einen mit dem Sauerstoffkanal und der Mischkammer verbundenen Sekundärquerschnitt in die Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze eingebracht.As an oxidizing agent for combustion in the combustion zone, oxygen is introduced into the mixing chamber of the fuel / oxygen lance via the oxygen supply through the oxygen channel surrounding an axial fuel channel via a secondary cross section connected to the oxygen channel and the mixing chamber.
Der in der Mischkammer vorliegende Brennstoff wird mit dem über den Primärquer- schnitt eingebrachten Sauerstoff vollständig verbrannt. Die bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukte erwärmen das in der Mischkammer eingebrachte Oxidationsmittel auf mindestens 560°C.The fuel in the mixing chamber is completely burned with the oxygen introduced through the primary cross section. The combustion reaction products generated during the combustion of the fuel heat the oxidizing agent introduced into the mixing chamber to at least 560 ° C.
Erfindungsgemäß wird die zur Verbrennung des Brennstoffes benötigte stöchiometrische Sauerstoffmenge, welche 8 - 24 Vol.-% des gesamten Sauerstoffs entspricht, über den Primärquerschnitt und der als Oxidationsmittel in dieAccording to the invention, the stoichiometric amount of oxygen required for the combustion of the fuel, which corresponds to 8-24 vol.% Of the total oxygen, is introduced into the primary cross section and as the oxidizing agent
Verbrennungszone einzubringende Sauerstoff durch den Sekundärquerschnitt mit Strömungsgeschwindigkeiten von 70 bis 200 m/s bzw. 95 bis 225 m/s in die Mischkammer eingetragen.Oxygen to be introduced into the combustion zone is introduced into the mixing chamber through the secondary cross section at flow velocities of 70 to 200 m / s or 95 to 225 m / s.
Dazu weist der Sekundärquerschnitt einen mindestens 5,5-fach größeren Wert als der Primärquerschnitt auf.For this purpose, the secondary cross section has a value that is at least 5.5 times larger than the primary cross section.
Das in der Mischkammer der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze mittels der Verbrennungsreaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmte Oxidationsmittel wird durch die Austrittsdüse aus der aus Kupfer bestehenden Mischkammer mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone eingedust.The oxidizing agent heated to at least 560 ° C. in the mixing chamber of the fuel / oxygen lance by means of the combustion reaction products is passed through the outlet nozzle out of the copper mixing chamber with a Speed of at least Mach 0.8 injected into the combustion zone.
Die Länge L der Mischkammer entspricht mindestens dem 2,5-fachen des Durchmessers D der Austrittsdüse.The length L of the mixing chamber corresponds to at least 2.5 times the diameter D of the outlet nozzle.
Das impulsstromgesteuerte Eindüsen des Verbrennungs- und Oxidationsmittel- Gemisches in die Verbrennungszone erfolgt analog des in der Patentanmeldung 199 54 556 beschriebenen Verfahrens.The pulse flow-controlled injection of the combustion and oxidizing agent mixture into the combustion zone takes place analogously to the method described in patent application 199 54 556.
Die mit einer Wasserkühlung versehene Brennstoff/Sauerstoff-Lanze besteht im Mischkammerbereich aus Kupfer, der Brennstoffkanal und der Sauerstoffkanal aus Edelstahlrohren.The fuel / oxygen lance with water cooling is made of copper in the mixing chamber area, the fuel channel and the oxygen channel are made of stainless steel pipes.
Das zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung eingesetzte thermische Dusenverbrennungsverfahren gewährleistet eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse in der Verbrennungszone durch den mittels der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze entsprechend den jeweiligen Prozessbedingungen angepassten Sauerstoffeintrag in die Verbrennungszone.The thermal nozzle combustion process used for the afterburning of products from incomplete combustion ensures a substantial improvement in the heat transfer conditions in the combustion zone by means of the oxygen input into the combustion zone which is adapted to the respective process conditions by means of the fuel / oxygen lance according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing.
In die schematisch dargestellte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zum impulsstromgesteuerten Eindüsen von Sauerstoff in eine Verbrennungszone wird ein Brennstoff, beispielsweise Erdgas, durch einen axialen Brennstoffkanal 1 über eine von einer Hülse 5 konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse 2 mit 20 bis 80 m3/h und mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15 - 50 m/s in eine mit einer stirnseitig angeordneten Austrittsdüse 9 ausgerüsteten Mischkammer 8 eingebracht. Der zum Verbrennen des in die Mischkammer 8 eingebrachten Brennstoffs benötigte stöchiometrische Sauerstoff wird über eine Sauerstoffzuführung 3 durch einen den axialen Brennstoffkanal 1 umschließenden Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Primärquerschnitt 6 der Mischkammer 8 zugeführt. Die als Oxidationsmittel in die Verbrennungszone einzubringende Sauerstoffmenge strömt über die Sauerstoffzuführung 3 durch den Sauerstoffkanal 4 über einen mit dem Sauerstoffkanal 4 und der Mischkammer 8 verbundenen Sekundärquerschnitt 7 mit 300 bis 900 m3/h und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Mischkammer 8 ein. Der in die Mischkammer 8 als Oxidationsmittel für die Verbrennungszone eingeströmte Sauerstoff wird durch die bei der Verbrennung des Brennstoffs mit dem durch den Primärquerschnitt 6 zugeführten Sauerstoff entstandenen Verbrennungs- reaktionsprodukte auf mindestens 560°C erwärmt und strömt durch die stirnseitige Austrittsdüse 9 der Mischkammer 8 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone ein. Der Sekundärquerschnitt 7 ist mindestens 5,5- fach größer als der Primärquerschnitt 6. Die Länge L der aus Kupfer bestehenden Mischkammer 8 ist mindestens 2,5-fach größer als der Durchmesser D ihrer Austrittsdüse 9. Die aus Kupfer und Edelstahlrohren bestehende Brennstoff/Sauerstoff-Lanze ist des Weiteren mit einem die Mischkammer 8 und den Sauerstoffkanal 4 mit dem Primär- und Sekundärquerschnitt 6, 7 umschließenden Kühlwassertrakt 10 und einer Kühlwasserzu- und Kühlwasserabführung 11 , 12 ausgerüstet.In the fuel / oxygen lance shown schematically for the pulse flow controlled injection of oxygen into a combustion zone, a fuel, for example natural gas, is fed through an axial fuel channel 1 via a fuel nozzle 2 concentrically enclosed by a sleeve 5 at 20 to 80 m 3 / h and with a Velocity in the range of 15-50 m / s is introduced into a mixing chamber 8 equipped with an outlet nozzle 9 arranged at the end. The stoichiometric oxygen required to burn the fuel introduced into the mixing chamber 8 is fed to the mixing chamber 8 via an oxygen supply 3 through an oxygen channel 4 surrounding the axial fuel channel 1 via a primary cross section 6 connected to the oxygen channel 4 and the mixing chamber 8. The amount of oxygen to be introduced into the combustion zone as the oxidant flows via the oxygen supply 3 through the oxygen channel 4 via a secondary cross section 7 connected to the oxygen channel 4 and the mixing chamber 8 at 300 to 900 m 3 / h and at a speed of at least 95 m / s Mixing chamber 8 a. The one in the Mixing chamber 8 as an oxidizing agent for the combustion zone is heated to at least 560 ° C. by the combustion reaction products formed during the combustion of the fuel with the oxygen supplied through the primary cross section 6 and flows through the front-side outlet nozzle 9 of the mixing chamber 8 at a speed of at least 0.8 Get into the combustion zone. The secondary cross section 7 is at least 5.5 times larger than the primary cross section 6. The length L of the copper mixing chamber 8 is at least 2.5 times larger than the diameter D of its outlet nozzle 9. The fuel / oxygen consisting of copper and stainless steel pipes The lance is further equipped with a cooling water tract 10 surrounding the mixing chamber 8 and the oxygen channel 4 with the primary and secondary cross sections 6, 7 and a cooling water supply and cooling water discharge 11, 12.
Die erfindungsgemäße Brennstoff/Sauerstoff-Lanze wurde in einem Lichtbogenofen, bei einem Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung, erfolgreich erprobt.The fuel / oxygen lance according to the invention was successfully tested in an electric arc furnace in a process for the afterburning of products from incomplete combustion.
Dazu wurden zwei Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen im Bereich des Heißgaskrümmers in der Ofenwand mit einem Neigungswinkel von 30° zur Waagerechten nach unten und tangential in den Raum zwischen der Elektrode und der Ofenwand angeordnet, so dass die Hauptabgasströmung mit überlagerter Sauerstoff-Strömungsabdeckung erfasst wird. Die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen wurden in der Anfangsphase des Einschmelzens als Brennstoff/Sauerstoff-Brenner betrieben. Die Verbrennungsleistung je Vorrichtung wurde entsprechend den Schrottverhältnissen zwischen 1 ,0 bis 1 ,5 MW vorgegeben. Das Verbrennungsverhältnis wurde in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Ofen zwischen 0,9 und 2,0 eingestellt. Nach Einsturz der Schrottsäule wurde die Erdgaszufuhr reduziert und Sauerstoff- Einblasraten in Anpassung an den Sauerstoffgehalt im Abgas zwischen 5 bis 20 m3/min eingestellt, dieses entspricht einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2 bis 8 m3/tfl. In Schmelzphasen, in denen sich keine unverbrannten Komponenten im Abgas befanden, wurde kein Sauerstoff über die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen geleitet. In diesen Phasen wurden die Brennstoff/Sauerstoff-Lanzen zum Freihalten der Austrittsdüsen 9 mit ca. 30 m3 Erdgas und mit 60 m3 Sauerstoff pro Stunde und Brennstoff/Sauerstoff-Lanze beaufschlagt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung werden Nachverbrennungsgrade von mindestens 75% erzielt, wobei ein Einsparpotential an elektrischer Energie pro Kubikmeter Sauerstoff von mindestens 4, 5 KWh erreicht wird.For this purpose, two fuel / oxygen lances were arranged in the area of the hot gas manifold in the furnace wall with an angle of inclination of 30 ° to the horizontal downwards and tangentially into the space between the electrode and the furnace wall, so that the main exhaust gas flow is recorded with a superimposed oxygen flow cover. The fuel / oxygen lances were operated as fuel / oxygen burners in the initial phase of melting down. The combustion output per device was specified in accordance with the scrap ratios between 1.0 and 1.5 MW. The combustion ratio was set between 0.9 and 2.0 depending on the oxygen content in the furnace. After the collapse of the scrap column, the natural gas supply was reduced and oxygen injection rates adjusted to match the oxygen content in the exhaust gas between 5 to 20 m 3 / min, this corresponds to a specific oxygen consumption of 2 to 8 m 3 / tfl. In melting phases in which there were no unburned components in the exhaust gas, no oxygen was passed through the fuel / oxygen lances. In these phases, approximately 30 m 3 of natural gas and 60 m 3 of oxygen per hour and fuel / oxygen lance were applied to the fuel / oxygen lances to keep the outlet nozzles 9 free. In the method according to the invention for the afterburning of products from incomplete combustion, degrees of afterburning of at least 75% are achieved, with a saving potential of electrical energy per cubic meter of oxygen of at least 4.5 KWh being achieved.
Mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsverfahren bei Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoff/Sauerstoff-Lanze werden gegenüber den bekannten Verbrennungsverfahren/-Ianzen folgende Vorteile erzielt:With the combustion method according to the invention when using the fuel / oxygen lance according to the invention, the following advantages are achieved over the known combustion methods / lances:
- zusätzliche Einsparung an elektrischer Energie durch höhere Nachverbrennungsgrade- Additional savings in electrical energy through higher levels of post-combustion
- Einsparung von Schutzgasmengen zum Freihalten der Austrittsdüse und damit Senkung der Betriebskosten- Saving of protective gas quantities to keep the outlet nozzle free and thus lowering the operating costs
- Konstante Leistungsdaten des Lichtbogenofens, da die Austrittsdüse der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nicht verunreinigt wird und somit konstante Strömungsverhältnisse während der Ofenreise erreicht werden- Constant performance data of the arc furnace, since the outlet nozzle of the fuel / oxygen lance is not contaminated and thus constant flow conditions are achieved during the furnace travel
- Durch Variation des Brennstoffanteiles ist die kinetische Energie des Sauerstoffstrahles dem Prozeßablauf anpaßbar- The kinetic energy of the oxygen jet can be adapted to the process sequence by varying the proportion of fuel
- Erhöhung der Anlagensicherheit, da Verpuffungen und Explosionen im Abgastrakt vermieden werden- Increased plant safety, since deflagrations and explosions in the exhaust system are avoided
- Erzeugung hoher Impulsströme bei niedrigen spezifischem Sauerstoff-Verbrauch- Generation of high pulse currents with low specific oxygen consumption
- Verbesserung des Wärmeüberganges in der Verbrennungszone durch Strahlung, Konvektion und Gasstrahlung (Kohlendioxid und Wasser)- Improvement of the heat transfer in the combustion zone by radiation, convection and gas radiation (carbon dioxide and water)
- Verbesserung des metallischen Ausbringens durch Verringerung des Staubaustrages- Improvement of the metal spreading by reducing the dust discharge
- Leistungssteigerung des Lichtbogenofens durch Reduzierung der Power-on-Zeiten. - Increased performance of the arc furnace by reducing the power-on times.

Claims

- Patentansprüche - claims
1. Verfahren zur Nachverbrennung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung in einer Verbrennungszone, bei welchem: a) Brennstoff über einen Brennstoffkanal (1) durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) in eine mit einer stirnseitigen Austrittsdüse (9) versehenen Mischkammer (8) einströmt; b) Sauerstoff zur Verbrennung des Brenngases über eine Sauerstoffzuführung (3) durch einen den axialen Brennstoffkanal (1 ) umschließenden Sauerstoff- kanal (4) über einen Primärquerschnitt (6) und c) Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Verbrennung in der Verbrennungszone über die Sauerstoffzuführung (3) durch den Sauerstoffkanal (4) über einen Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) einströmt; d) der gemäß Schritt a) in die Mischkammer (8) eingebrachte Brennstoff mit dem gemäß Schritt b) über den Primärquerschnitt (6) in die Mischkammer (8) eingeströmten Sauerstoff vollständig verbrannt und e) der gemäß Schritt (c) über den Sekundärquerschnitt (7) in die Mischkammer (8) eingeströmte Sauerstoff mit den bei der Verbrennung des Brennstoffs erzeugten Verbrennungsreaktionsprodukten gemischt und f) das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit1. A method for the afterburning of products from incomplete combustion in a combustion zone, in which: a) fuel via a fuel channel (1) through a fuel nozzle (2) concentrically enclosed by a sleeve (5) into a with an end-side outlet nozzle (9) Mixing chamber (8) flows in; b) oxygen for the combustion of the fuel gas via an oxygen supply (3) through an oxygen channel (4) surrounding the axial fuel channel (1) via a primary cross section (6) and c) oxygen as an oxidizing agent for the combustion in the combustion zone via the oxygen supply ( 3) flows through the oxygen channel (4) over a secondary cross section (7) into the mixing chamber (8); d) the fuel introduced into the mixing chamber (8) according to step a) is completely burned with the oxygen flowing into the mixing chamber (8) via the primary cross section (6) according to step b) and e) the fuel via the secondary cross section according to step (c) 7) oxygen flowing into the mixing chamber (8) mixed with the combustion reaction products generated during the combustion of the fuel and f) the oxidizing agent through the outlet nozzle (9) of the mixing chamber (8)
Unter- oder Überschallgeschwindigkeit in die Verbrennungszone eingedust wird.Supersonic or supersonic speed is injected into the combustion zone.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbrennung des in der Mischkammer (8) vorliegenden Brennstoffs 8 - 24% der in der Brennstoff/Sauerstoff-Lanze eingesetzten Sauerstoffmenge durch den Primärquerschnitt (6) in die2. The method according to claim 1, characterized in that for the combustion of the fuel present in the mixing chamber (8) 8 - 24% of the amount of oxygen used in the fuel / oxygen lance through the primary cross section (6) in the
Mischkammer (8) eingebracht wird.Mixing chamber (8) is introduced.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch den Sekundärquerschnitt (7) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 95 m/s in die Misch- kammer (8) einströmt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the oxidizing agent flows through the secondary cross section (7) at a speed of at least 95 m / s in the mixing chamber (8).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff durch die Brennstoffdüse (2) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 15 - 50 m/s in die Mischkammer (8) einströmt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the fuel through the fuel nozzle (2) flows into the mixing chamber (8) at a speed in the range of 15-50 m / s.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel in der Mischkammer (8) auf mindestens 560°C erwärmt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the oxidizing agent in the mixing chamber (8) is heated to at least 560 ° C.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel durch die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,8 Mach in die Verbrennungszone eingetragen wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the oxidizing agent is introduced into the combustion zone through the outlet nozzle (9) of the mixing chamber (8) at a speed of at least 0.8 Mach.
7. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bestehend im wesentlich aus a) einem axialen Brennstoffkanal (1 ), welcher durch eine von einer Hülse (5) konzentrisch umschlossenen Brennstoffdüse (2) mit einer eine stirnseitige Austrittsdüse (9) aufweisenden Mischkammer (8) verbunden ist, b) einem den axialen Brennstoffkanal (1 ) umschließenden, mit einer Sauerstoffzuführung (3) versehenen und durch einen Primär- und Sekundär-Sauerstoff- querschnitt (6, 7) mit der Mischkammer (8) verbundenen Sauerstoffkanal (4), c) einem den Sauerstoffkanal (4) mit dem Primär- und Sekundärquerschnitt (6, 7) und die Mischkammer (8) umschließenden Kühlwassertrakt (10) und einer Kühlwasserzu-Aabführung (11 , 12).7. pulse flow controlled fuel / oxygen lance for performing the method according to any one of claims 1 to 6, consisting essentially of a) an axial fuel channel (1) which is concentrically enclosed by a sleeve (5) with a fuel nozzle (2) with a an end-side outlet nozzle (9) is connected to the mixing chamber (8), b) a surrounding the axial fuel channel (1), provided with an oxygen supply (3) and through a primary and secondary oxygen cross-section (6, 7) with the Mixing chamber (8) connected oxygen channel (4), c) a cooling water tract (10) surrounding the oxygen channel (4) with the primary and secondary cross section (6, 7) and the mixing chamber (8) and a cooling water supply (11, 12) ,
8. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärquerschnitt (7) mindestens 5,5-fach größer ist als der Primärquerschnitt (6).8. pulse flow controlled fuel / oxygen lance according to claim 7, characterized in that the secondary cross section (7) is at least 5.5 times larger than the primary cross section (6).
9. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Mischkammer (8) mindestens9. pulse flow controlled fuel / oxygen lance according to claim 7, characterized in that the length (L) of the mixing chamber (8) at least
2,5-fach größer ist als der Durchmesser (D) der Austrittsdüse (9).2.5 times larger than the diameter (D) of the outlet nozzle (9).
10. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (9) der Mischkammer (8) mindestens eine Austrittsöffnung aufweist. 10. A pulse flow controlled fuel / oxygen lance according to claim 7 or 9, characterized in that the outlet nozzle (9) of the mixing chamber (8) has at least one outlet opening.
1. Impulsstromgesteuerte Brennstoff/Sauerstoff-Lanze nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8) der Brennstoff/Sauerstoff- Lanze aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer, besteht. 1. Pulse flow controlled fuel / oxygen lance according to one of claims 7 to 10, characterized in that the mixing chamber (8) of the fuel / oxygen lance consists of a metal, preferably copper.
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