DK169446B1 - Brænder til roterovn samt fremgangsmåde til dannelse af en brænderflamme med brænderen - Google Patents

Description

i DK 169446 B1

Opfindelsen angår en brænder til at indføre fast og flydende eller gasformigt brændsel i en brændezone på en ovn, f.eks. en roterovn, samt en fremgangsmåde til dannelse af en flamme i nævnte brændezone ved hjælp af brænderen.

5 Sådanne brændere har været kendte gennem en lang årrække, oprindeligt som én-kanalbrændere, der efterhånden blev forbedret til flerkanal brændere, som gjorde det muligt samtidigt at indføre flere slags brændsel i en ovn og dermed kombinere fordelene ved f.eks.

10 fast og flydende eller gasformigt brændsel til opnåelse af den bedst mulige flammedannelse i ovnens brændezone under anvendelse af den mindst mulige mængde primærluft til en tilstræbt forøgelse af den pågældende ovns driftsøkonomi.

15 Et eksempel på en fler-kanal brænder er omtalt i det tyske månedsskrift "Zement-Kalk-Gips", nr. 8/1979 side 388, i form af en to-kanal roterovnsbrænder, idet der med to kanaler menes de to ringformede kanaler dannet ved hjælp af to koncentriske rør, som omgiver brænderens centrale rør, gennem hvilket gasformigt eller flydende 20 brændsel f.eks. i brænderens startfase indføres i brændezonen. Gennem denne brænders inderste, ringformede kanal fremføres primærluft til brændezonen, mens der gennem den yderste ringformede kanal fremføres kulstøv. Primær!uftkanal en er ved brændezoneenden forsynet med spiralformede indbygninger, der bringer luftstrømmen i rotation, 25 og kanalen ender i en udadrettet ringformet åbning, således at den roterende luftstrøm bringes i kontakt med den akseparallelt indblæste strøm af kulstøv. Under drift vil denne brænder således have tilbøjelighed til at blæse en del kulpartikler i retningen bort fra flammeaksen og derved sprede flammen over hele ovntværsnittet.

30 I de såkaldte tre-kanal brændere har man tilføjet en ringformet kanal uden om kul kanal en på en to-kanal brænder.

En tre-kanal brænder kendes f.eks. fra US-A-4.373.900, der omtaler en 35 tredje, ydre ringformet kanal for en mængde primærluft, som indblæses i brændezonen gennem kanalens ringformede åbning i aksial eller udadrettet retning, mens kulstøv indblæses gennem den midterste kanal, der er forsynet med en ringformet åbning med normalt aksial indblæsningsretning, samtidig med at en anden mængde primærluft DK 169446 B1 2 indblæses gennem den inderste, ringformede kanal og forlader brænderen roterende og med en udadrettet retning. Også i denne brænder får man således en spredning af brænderflammen over i alt væsentligt hele ovntværsnittet.

5

Fra DE-C-3027587 kendes endnu en tre-kanal brænder, hvor den ydre, ringformede kanal for primærluft mod brændezonen ender i et antal dyser, hvis akser kan divergere fra 0° til 20* fra brænderens akse.

Den midterste kanal til fremføring af kulstøv er almindeligvis 10 ringformet og med udaddivergerende udløb, men kan være en ved hjælp af indbyggede ribber sektoropdelt kanal koncentrisk med den med dyser forsynede primærluftkanal.

Endelig kendes fra dansk patentansøgning nr. 232/90 en tre-15 kanalbrænder, i hvilken en ringformet kulkanal såvel indvendigt som udvendigt er omgivet af en ringformet primærluftkanal, og hvor den udvendige primærluftkanal mod brændezonen ender i akseparallelle dyser, hvis opgave er at trække sekundærluft ind i brændezonen.

20 Begge de to sidstnævnte tre-kanal brændere arbejder ligesom brænderne ifølge de to førstnævnte skrifter med spredning af brænderflammen over ovntværsnittet og arbejder ifølge sagens natur med tilførsel af en relativ stor mængde primærluft, eksempelvis typisk 10% af den støkiometriske forbrændingsluft og fremført med 70-150 m/s under et 25 blæsertryk på op til 140 mbar.

De stadigt voksende miljøkrav har i de senere år fokuseret stærkt på en reduktion af nitrogenoxidindholdet i røggassen fra roterovnsanlæg, og et middel til at foretage en sådan reduktion er 30 en nedsættelse af primærluftforbruget i ovnens brændezone.

Det er kendt i forbindelse med udformningen af roterovnsbrændere, at en afgørende parameter for flammedannelsen i ovnens brændezone er primærluftimpulsen, som er produktet af luftmassen og lufthastighe-35 den, når primærluftstrømmen forlader brænderenden. Hvis mængden af primærluft sænkes uden en tilsvarende forøgelse af lufthastigheden, vil brændslet brænde langsomt, og man vil få en lang, sodende flamme og et uacceptabelt højt CO-indhold ved udgangen af ovnrøret selv med opretholdelse af et kraftigt luftoverskud. En sådan flamme vil 3 DK 169446 B1 derfor ikke give den krævede meget høje temperatur i de behandlede materialer f.eks. i en cementovn nær materialeudløbet, men vil selvfølgelig resultere i en væsentlig reduktion af NO -indholdet i Λ ovnens afgangsgasser.

5

Hvis primærluftmængden reduceres til halvdelen af den hidtil normale mængde, må lufttilførselshastigheden i brændezonen fordobles, hvilket igen kræver en firedobling af indblæsningstrykket. Tendensen for udviklingen af brændere går i denne retning, og i en artikel i 10 fagtidsskriftet "World Cement", april 1990, side 118-124, er be skrevet, hvorledes en brænder ifølge det ovenfor omtalte patentskrift DE 3027587 bringes til at virke med 1,6% aksialluft indblæst med en hastighed på 350 m/s, med 2,4% rotationsluft med en hastighed på 160 m/s og med 2,3% transportluft for kulstøv indblæst med en 15 hastighed på 28 m/s. En lufthastighed på 350 m/s kræver et tryk på ca. 1 bar, altså meget store og omkostningsforøgende krav til blæserudstyret til brænderen.

Det er formålet med opfindelsen at angive en brænder, som under 20 drift bruger så lille en mængde primærluft som muligt, og som genererer så lidt Ν0χ og CO som muligt, og som tillige arbejder med det lavest mulige luftoverskud. Herved formindskes ovnens brændselsforbrug og udslippet af forurenende Ν0χ, CO og C0g i ovnrøggasserne. Det er endvidere formålet med opfindelsen at angive en 25 brænder, som især under en opstartfase af ovnen eller ved nedbræn- ding af en ringdannelse ved ovnudløbet i de behandlede materialer tillige kan afkorte flammen. Endelig er det et formål med opfindelsen at angive en fremgangsmåde til driften af en brænder af denne art.

30

Formålet opnås ved hjælp af en brænder af den i indledningen til krav 1 angivne art, og som er ejendommelig ved de i kravets kendetegnende del nævnte træk.

35 Yderligere fordelagtige træk ved brænderen ifølge opfindelsen er angivet i krav 2, 3 og 4.

Formålet opnås endvidere ved hjælp af en fremgangsmåde til dannelsen af en brænderflamme således som angivet i krav 5 og 6.

DK 169446 B1 4

Grundprincippet for opfindelsen er, at det anses for fordelagtigt at tilføre primær!uft til ovnens brændezone på indersiden af den ringformede tilførsel af kulstøv og fortrinsvis i aksial retning og helt at undgå rotation af primær!uftstrømmen, med mindre ganske 5 særlige forhold opstår, jfr. ovenfor. Det er således hensigten med primærluften at accellerere kul parti kl erne op til en høj hastighed og samtidig undgå at sprede dem over ovntværsnittet. Ifølge opfindelsen indblæses primærluften derfor gennem et antal akseparallelle dyser i en ring, som lukker for den ringformede primærluftkanal i 10 den mod brændezonen vendende ende, og hvor dyserne er anbragt så nær den omgivende ringformede kul strøm som muligt. Separate dyser, der tilvejebringer en høj primær!ufthastighed, har vist sig mere effektive til at accellerere kul parti kl erne end en primærluftstrøm fra en ringformet kanal åbning på grund af en højere medrivningshastighed af 15 partiklerne.

Det er af betydning at søge at holde brændselspartiklerne tæt sammen for at skabe en brændselsrig flammekerne og derved reducere NOx-dannelse.

20

En ringe afstand mellem kul parti kl erne er ligeledes ønskelig for at fremme udvekslingen af strålevarme mellem partiklerne, og en stor hastighedsforskel mellem kul parti kl er og luft kræves for at sikre hurtig fjernelse af forbrændingsprodukter fra og tilførsel af ilt 25 til overfladen af den enkelte brændselspartikel. Til opnåelsen af denne velkendte og ønskede virkning er en spredning af kul parti kl erne over hele ovntværsnittet ved anvendelse af en divergerende og/eller roterende primærluftstrøm mindre hensigtsmæssig.

30 To-kanal brænderen ifølge opfindelsen udmærker sig tillige ved at være lettere og simplere end en tre-kanal brænder. Såfremt to-kanal-brænderen imidlertid skal anvendes udelukkende med olie eller gas som brændsel, vil der ikke være noget kulstøv eller transportluft til at foretage en krævet afkøling af brænderrøret inde i ovnen, 35 selv om dette rør er forsynet med en keramisk isolering. Denne mangel afhjælpes med en varmeveksler, som omgiver brænderrøret inde i ovnen, og som den samlede mængde primærluft passerer gennem og forvarmes i, før luften ledes ind i brænderens ringformede primær-luftkanal. Forvarmningen af primærluften forøger dennes volumen med 5 DK 169446 B1 en tilsvarende forøgelse af lufthastigheden og dermed af prirnær-luftimpulsen, hvilket igen gør det muligt under bibeholdelse af effekten at reducere primærluftmængden.

5 Opfindelsen vil blive forklaret nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, der som eksempler og uden at være begrænsende viser forskellige udførelsesformer for brænderen, og hvor fig. 1 er et aksialt snit gennem en to-kanal brænder uden 10 varmeveksler, fig. 2 er et tilsvarende snit af en to-kanal brænder med varmeveksler, *5 fig. 3A er et mere detaljeret aksialsnit af brænderens mod brændezonen vendende ende, fig. 3B er den tilsvarende brænderende set forfra, 20 fig. 4A og 4B er et udsnit af en detalje i figur 3A i én stilling, og fig. 5A og 5B er den samme detalje vist i en anden stilling.

25 På samtlige figurer er der for de samme dele i en brænder benyttet de samme henvisningsbetegnelser.

På fig. 1 har en brænder et central rør 5 til alternativ fremføring af flydende eller luftformigt brændsel gennem en olie- eller gas-50 lanse til brændezonen i en roterovn. Røret 5 omgives af et koncentrisk rør 8 til dannelse af en første ringformet kanal, der får tilført primærluft gennem et luftindløb 10, og som fremfører luften til et antal akseparallelle dyser 3 monteret i en ring, der afslutter røret 8 ved enden mod brændezonen. Åbningerne i dyserne 3 kan på 55 kendt vis være regulerbare. Røret 8 er igen omgivet af et koncentrisk rør 1 til dannelse af en anden ringformet kanal til en pneumatisk fremføring ved hjælp af transportluft af kulstøv til brændezonen. Kul/luftstrømmen tilføres denne kanal gennem et indløb 2 og ledes til brændezonen med en hastighed, der er tilstrækkelig høj DK 169446 B1 6 til, at kul parti kl er ikke falder ud af strømmen under passagen gennem brænderen. I praksis er forholdet mellem kul og luft 4-10 kg 3 kul pr. m luft, og transporthastigheden maksimalt 35 m/s til opnåelse af en hensigtsmæssig balance mellem flammedannelse, for-5 brændingshastighed og kul parti kl ernes slid på rørets indvendige overflade. Kulstøvet blæses ind i brændezonen gennem den ringformede åbning, som kul/luftkanalen danner mod brændezonen, således at kul strømmen indledningsvist danner et "rør" i brændezonen, og fra hvilket "rør" dysevirkningen fra de indenfor liggende dyser vil 10 trække kulparti kl erne ind mod flammens kerne.

Røret 1 kan på kendt vis forskydes aksialt i forhold til røret 8, således at opblandingshastigheden mellem kul, primærluft og direkte i brændezonen indført sekundærluft ændres, hvorved flammens form 15 justeres. Mekanismen til denne forskydning er i princippet vist ved en ringformet fleksibel bælgtætning 11 og en indstillingsmekanisme 12, 13, 14, og hvor den aksiale forskydning sker ved hjælp af drejning af møtrikker på en gevinddel på stangen 12.

20 Til beskyttelse mod varmen fra ovnens indre er brænderen inde i ovnen omgivet af en keramisk isolering 9.

Som foran nævnt kan der opstå forhold, der nødvendiggør, at primærluft tillige tilføres brændezonen i en udad divergerende retning.

2^ Brænderen ifølge opfindelsen har til dette formål et andet sæt justerbare åbninger mellem primærluftkanalen og brændezonen således som vist på figurerne 3-5. Røret 8 er mod brændezonen lukket med en ring 6, i hvilken dyserne 3 er monterede. Ringen er fast monteret i rørets 8 indvendige overflade, og ringens lysning danner en konisk 30 overgang til røret 5, der er lejret drejeligt i brænderen og ved en fjederpåvirkning i sin udgangsstilling holdes i anlæg mod den hosliggende flade af ringen 6. Til samme flade på ringen 6 er fastsvejset en med slidser forsynet muffe 7, som omgiver rørenden 5, der ved rørets drejning bevæger sig inde i muffen. Den mod brænde-33 zonen vendende ende af røret 5 er forsynet med en skrueliniedannet fortanding 4', der er komplementær til en tilsvarende skrueliniedannet fortanding 4" på den bort fra brændezonen vendende flade af ringen 6. I udgangsstillingen er de to fortandinger i fuldt indgreb med hinanden og lukker dermed helt for passage af primærluft, som 7 DK 169446 B1 således kun kan passere ud gennem primær!uftkanalens dyser 3. Ved drejning af røret 5 mod fortandingsskrueliniens stigning glider tænderne 4' op ad de tilsvarende skråflader på lukkeringens 6 tilsvarende tænder 4" og danner dermed tangenti alt rettede åbninger 5 4 for en del af primærluften i primærluftkanalen. Åbningernes 4 størrelse svarer til størrelsen af drejningen af røret 5 langs en tandskråflade. Ved en fortsat drejning vil de skrå tænder på ny gå i fuldt indgreb med hinanden og under fjederpåvirkningen på røret 5 igen lukke helt for primærluften ad denne vej.

10

Den primærluft, som ledes ind i røret 5 gennem spalterne 4, vil på grund af spalteåbningernes form og størrelse få en tilsvarende rotationsbevægelse ud gennem brændezonen til en ønsket ændring af flammedannelsen i denne. På grund af den udad divergerende munding 15 af røret 5 mod brændezonen gives der samtidig rotationsluften en bevægelseskomposant ud mod ovnomkredsen.

På figur 2 er vist en brænder ifølge opfindelsen forsynet med en varmeveksler til afkøling af brænderenden inde i ovnen og til 20 forvarmning af primærluft. Varmeveksleren består af et koncentrisk rørsystem 14, 18, som omgiver røret 1, og som er forsynet med et indløb 10 for primærluft og et udløb 15 for forvarmet primærluft, der gennem en ledning 16 føres til den modsatte ende af primærluftkanalen dannet af røret 8 og central røret 5. Varmeveksleren er 25 omgivet af en beskyttelseskappe af keramisk materiale 9 og lukket ved sin mod brændezonen vendende ende. I den modsatte ende er varmeveksleren lukket med en fleksibel bælgtætning 19. Varmevekslerens indre rør 18 danner en cylindrisk væg, som ikke er ført helt frem til endevæggen af varmeveksleren, således at der inden for ende-50 væggen dannes en ringformet kanal til passage af primærluft fra det indre varmevekslerrør til det ydre. På figuren er varmeveksleren kun vist med to kanaler eller rør, men den kan lige så vel bestå af yderligere et antal rør, alt efter hvilken varmevekslereffekt, der tilstræbes.

35

Sammenlignende forsøg mellem en tre-kanal brænder af kendt type med en centrifugal blæser med et max. tryk på 125 mbar og en brænder ifølge opfindelsen under forbrænding af 3.000 kg/h petrokoks med en varmeværdi på 7.000 kcal/kg, og et nitrogenindhold på 2,32% gav 5 DK 169446 B1 8 følgende resultater: 3-kanal brænder Brænder iflg. opf.

NO i afgangsgas 1.000 ppm 650 ppm x ved 2% 02 ved 2% 0£ 10 CO i afgangsgas 1% af 02 1% af 02

Primærluft 9% af støkio- 2-3% af støkiometrisk for- metrisk forbrændingsluft brændingsluft

Indblæsnings-hastighed af 15 primærluft 140 m/s 300 m/s 20 25 30 35

Claims (6)

1. Brænder til at indføre fast og flydende eller gasformigt brændsel i en brændezone på en ovn, for eksempel en roterovn, og 5 hvor brænderen udgøres af et centralt brændselstilførselsrør (5) til flydende og/eller gasformigt brændsel, et første koncentrisk rør (8), som omgiver det centrale rør, således at der mellem dette koncentriske rør og central røret dannes en ringformet kanal til fremføring af primærluft til en brændezone, som tilføres brænderen 1° gennem et indløb (10), og et andet koncentrisk rør (1), som omgiver det første koncentriske rør, således at der mellem det første og det andet koncentriske rør dannes endnu en ringformet kanal til pneumatisk fremføring af fast brændsel, f.eks. kulstøv, som tilføres brænderen sammen med en transportluft gennem et indløb (2), k e n -d e t e g n e t ved, at den mod brændezonen vendende ende af røret (8) er lukket af en i rørenden fast monteret ringformet plade (6) forsynet med et antal dyser (3), hvis akser er parallelle med brænderaksen, at pladens (6) mod rørenden (5) vendende flade er udformet som en skrueliniedannet fortanding (4"), mens dens mod 20 brændezonen vendende flade danner en udad divergerende åbning for røret (5), at der til pladen (6) endvidere indvendigt er fastsvejset en med slidser forsynet muffe (7), som omgiver røret (5), at røret (5) på sin mod brændezonen vendende ende også er forsynet med en skrueliniedannet fortanding (4'), der er komplementær til 25 fortandingen (4") på pladen (6), at røret (5) er lejret drejeligt og gennem en aksial fjederpåvirkning i retning mod brændezonen danner anlæg mod den bort fra brændezonen vendende flade på ringen (6), og at fortandingerne ved en drejning af røret (5) tilvejebringer spalteformede, tangenti alt .rettede åbninger (4) til passage af 30 primærluft fra primærluftkanalen til centralrøret (5).

2. Brænder ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de indbyrdes komplementære skrueliniedannede fortandinger (4', 4") på henholdsvis enden af røret (5) og den indadvendende flade på ringen (6) 35 har en sådan udformning, at fortandingen (4') på enden af røret (5) i en udgangsstilling gennem fjederpåvirkningen ligger an mod fortandingen (4") på ringen (6) med en indbyrdes indgribning, der lukker for passage af primærluft gennem fortandingerne, således at al primærluft presses ud gennem dyserne (3), og at fortandingerne 10 DK 169446 B1 indbyrdes ved en drejning af røret (5) mod fortandingsskrueliniens stigning danner tangentiale spalter (4) for passage til røret (5) af en del af primærluften i røret (8), således at den gennem spalterne (4) til brændezonen fremførte primærluft bibringes en rotationsbe-5 vægel se og på grund af den udad divergerende munding på røret (5) tillige en mod ovnomkredsen rettet bevægelse i brændezonen.

3. Brænder ifølge kravene 1 og 2, kendetegnet ved, at det ydre koncentriske rør (1) til kanalen for fast brændsel ved sin 10 mod brændezonen vendende ende er omgivet af endnu et koncentrisk rør (14) til dannelse af et ringformet, i begge ender afsluttet mellemrum, der virker som varmeveksler mellem den i brændezonen genererede varme og den koldere primærluft, som tilføres brænderen.

4. Brænder ifølge krav 3, kendetegnet ved, at varmevekslerrummet ved mindst en cylindrisk mellemvæg (18) er opdelt i mindst to koncentriske kanaler, af hvilke kanalen, der ligger nærmest brænderens akse er forbundet med primærluftindløbet (10), mens kanalen, der omgiver den foranævnte kanal, er forbundet med 20 denne via den dannede ringformede kanal (20) og har et udløb (15) for forvarmet primærluft, hvilket udløb via en ledning (16) er forbundet med et indløb (17) i primærluftkanal en i dennes bort fra brændezonen vendende ende.

5. Fremgangsmåde til dannelse af en flamme i en ovns brændezone ved hjælp af brænderen ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at partiklerne af fast brændsel, som pneumatisk tilføres brændezonen gennem den af røret (1) dannede ringformede kanal med en hastighed, som hindrer partiklerne i at falde ud af transportluftstrømmen inde 30 i denne kanal, af den gennem den af røret (8) dannede ringformede kanal til brændezonen fremførte primærluft ved hjælp af virkningen fra dyserne (3) i brændezonen accelereres op til en høj hastighed i forhold til selve indføringshastigheden i brændezonen og samtidig trækkes ind mod flammens kerne til en forøgelse af brændsel sindhol-33 det og en bedre forbrænding i denne og dermed til en formindskelse af Ν0χ-indholdet i ovnens afgangsrøggasser.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, og hvor røret (1) kan forskydes aksialt i forhold til røret (8), kendetegnet ved, at man 5 11 DK 169446 B1 gennem forskydningen af røret (1) til fast brændsel alene regulerer hastigheden, hvormed opblandingen af fast brændsel, primærluft og af direkte i brændezonen indført sekundærluft sker. 10 15 20 25 30 35