DE2807192A1

DE2807192A1 - Verfahren zum betreiben eines metallschmelzofens und gasbrenner, insbesondere zum durchfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE2807192A1
Application number: DE19782807192
Authority: DE
Inventors: Ronald Lee Pariani
Original assignee: Southwire Co LLC
Current assignee: Southwire Co LLC
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-20
Publication date: 1978-08-24
Also published as: DE2807192C2; JPS53113206A; IN148635B; FR2381241B1; FR2381241A1; JPS5848803B2; BR7801035A; MX146375A; ES467213A1; BE864130A; US4154571A; CA1100029A; GB1585435A; TR21278A; US4156590A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Metallschmelzofens mit einem Brenner für den Betrieb mit einer gasförmigen Vormischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft. Außerdem betrifft die Erfindung einen Vormischungs-Gasbrenner, der insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.

Genauer gesagt handelt es sich bei dem Gasbrenner um einen solchen, der mit einer die Zuführöffnung durchziehenden Überwachungs- und Reinigungseinrichtung versehen ist.

Moderne industrielle Erhitzungsverfahren, insbesondere bei Metallschmelzöfen, erfordern Brenner, bei denen eine Mehrzahl von Eigenschaften bislang als mehr oder weniger guter Kompromiß anzusehen sind. So wäre es beispielsweise wünschenswert, wenn es, ohne andere Eigenschaften zu verschlechtern, möglich wäre, sämtliche der nachstehend aufgeführten Eigenschaften zu verbessern:

1) Die Möglichkeit des einfachen Freimachens des Ausgangs der Brennkammer im Falle einer Brennerverstopfung durch Metall des Schmelzofens;

2) Verläßliche und sichere Flammenzündung und -Überwachung ;

3) Flammenstabilität ohne übermäßige und unregelmäßige Geräuschentwicklung;

4) vollständige und effiziente Verbrennung des Luft/ Brennstoff-Gemischs innerhalb der Brennkammer;

5) keine überhitzung, Verformung oder Beschädigung von Teilen während ausgedehnter Betriebszeiten, so daß über lange Betriebszeiträume hinweg mit geringem Wartungsaufwand gearbeitet werden kann;

6) die Möglichkeit, die Leistung in starkem Maße zurück-

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zufahren, wobei gleichzeitig die Verbrennungsprodukte genau steuerbar sind.

Gasbrenner können in drei Klassen eingeteilt werden, je nach der Art und Weise des Mischens von gasförmigem Brennstoff und Verbrennungsluft.

Die einfachste Anordnung, häufig als "Halsmischerbrenner" bezeichnet^- sieht-^vor_r das Gas-und-die Luft-durch-gesonderte öffnungen, die gewöhnlich einander benachbart sind, zur Brennkammer zuzuführen, die Gase sich vermischen zu lassen und sie im Ofen zu·verbrennen. Diese Art der Verbrennung des Gases erzeugt große, sich mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit bewegende Flammen und wird in weitem Umfang zur Befeuerung offener Herdofen für Stahl benutzt.

Eine zweite Art des Mischens findet man bei Brennern vom Inspiratortyp, wobei das Brenngas unter Druck dem Brenner zugeführt und aus einer Mündungsöffnung oder Düse in solcher Weise ausgestoßen wird, daß sein Impuls dazu Verwendung findet, um das Gas mit eingesaugter Luft zu vermischen.

Bei der dritten Art von Brennern erfolgt ein Vormischen eines Teils oder der gesamten Verbrennungsluft mit dem Gas vor der Zufuhr zum Brenner. Dabei kann der Brenner selbst als verhältnismäßig einfache Düse ausgebildet sein, die die brennbare Mischung ohne Rückschlagen oder Ausblasen der Flamme zuführt. Zum Vormischen ist eine Vielzahl verschiedener Anordnungen bekannt .

Bei allen dieser Arten von Brennern erhöht sich die Gas-Brenngeschwindigkeit an heißen Oberflächen beträchtliche Diese Wirkung nutzt man in Tunnelkammer-Brennern aus, bei denen die Brennkammer aus hochfeuerfestem Ziegelwerkstoff gebildet und so angeordnet ist, daß die Ziegelkammer bis zur Hellglut er-

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hitzt wird. Unter gewissen Umständen jedoch ist eine derartige Anordnung nachteilig, da eine örtliche Überhitzung und eine schnelle Erosion der feuerfesten Werkstoffe auftreten können.

Nach dem Stand der Technik werden Brenner vom Typ des feuerfesten Tunnels allgemein dann benutzt, wenn der Brennstoff und die Luft innerhalb des Brenners selbst vermischt werden. Um jedoch den Verbrennungsprozeß weiter zu beschleunigen und hohe Temperaturen zu bekommen, ist es vielfach wünschenswert,

eine.Vormischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft zu benutzen. Die sich dabei ergebenden Erschwernisse hinsichtlich der Wartung und Überwachung führen zum Auftreten gewisser Schwierigkeiten, die dem Erzielen der oben angeführten, wünschenswerten Eigenschaften entgegenstehen.

Um unter anderem die oben aufgeführten Eigenschaften zu erreichen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Metallschmelzofens anzugeben und einen Vormischungs-Gasbrenner für Naturgas, der insbesondere zum Durchführen dieses Verfahrens geeignet ist, aufzuzeigen, wobei der Brenner solche Eigenschaften besitzen soll, daß er für den rauhen Betrieb in der Umgebung eines Metallschmelzofens benutzbar ist, wobei gleichzeitig bei geringem Wartungsaufwand eine hohe Betriebslebensdauer gewährleistet sein soll.

Der das Verfahren betreffende Teil der gestellten Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgeraäß gelöst durch die Verfahrensschritte:

a) Einführen der Vormischung in einen gekrümmten Brennerkörper mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit;

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b) Hindurchströmen der Vormischung durch den gekrümmten Brennerkörper hindurch und um die Außenseite eines abgedichteten Zugangsrohres, wodurch dieses Zugangsrohr gekühlt wird το) Steuern des Stroms der Vormischung vom Brennerkörper in eine Brennkammer durch Lageeinstellung eines Stopfens im Strömungsweg;

d) Zünden und Verbrennen der Vormischung ,wobei als Brennkammer eine solche verwendet wird, die eine

^: erste feuerfeste Wand niedriger Wärmeleitfähigkeit und eine zweite feuerfeste Wand aus verschleißfestem Werkstoff besitzt, und

e) Herausführen der verbrannten Gase aus der Brennkammer mit hoher Temperatur durch eine öffnung in der verschleißfesten zweiten feuerfesten Wand.

Der den Gasbrenner betreffende Teil der gestellten Aufgabe ist bei einem Vormischungs-Gasbrenner mit einer Brennkammer, einem Brennerkörper und einem Stopfen zum Steuern des Gasstroms vom Brennerkörper zur Brennkammer erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brenner ein gerades Zugangsrohr, das den Stopfen mit der Außenseite des Brennerkörpers verbindet, besitzt, daß das Zugangsrohr einen durch den Stopfen hindurch von der Brennkammer zur Außenseite des Brennerkörpers führenden Durchgang" bildet,daß eine abnehmbare Verschlußeinrichtung zum dichten Verschließen dieses Durchgangs vorgesehen ist, um den Austritt von Verbrennungsgasen aus dem Brenner zu verhindern, daß zum Haltern des Zugangsrohrs μηα des Stopfens innerhalb des Brennerkörpers eine Lagerung vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß sie den Durchtritt von Gas durch den Brennerkörper in die Brennkammer ermöglicht, und daß eine mit der Brennkammer in Fluidverbindung stehende Zündeinrichtung vorgesehen ist, die zum Zünden des Brenners betätigbar ist.

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Eine Verbesserung uhd ein Vorteil dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß ein Zugangsrohr vorgesehen ist/ das sich durch den Stopfen des Brenners hindurch und bis zu einer Stelle außerhalb des Brennerkörpers erstreckt. Dieses Zugangsrohr ist mit einem üblichen Brenner-Gucklochfenster verschlossen, das eine visuelle überwachung des Innenraums der Brennkammer und des Schmelzofens ermöglicht. Das Zugangsrohr ist in der Größe so bemessen, daß es das Einführen sowohl von Brechstangen als auch von Sauerstofflanzen möglich macht, falls der Brenner durch Metall des Schmelzofens blockiert werden sollte. Das Zugangsrohr ist durch ein als Lagerung dienendes Band gehaltert, das den freien Durchstrom der Luft/Gas-Mischung ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Verbesserung besteht darin, daß für die Brennkammer ein feuerfester, zweiteilig zusammengesetzter Block vorgesehen ist, der vorzugsweise an die feuerfesten Werkstoffe angepaßt ist, die für die Auskleidung des Schmelzofens dienen. Der Teil der Brennkammer, der mit dem Innenraum des Schmelzofens in Berührung steht, ist vorzugsweise aus einem sehr verschleißfesten, feuerfesten Werkstoff, der der inneren Auskleidung des Schmelzofens ähnlich ist, gefertigt, beispielsweise aus Siliziumkarbid oder aus einer hochfeuerfesten Tonerde. Demgegenüber ist derjenige Teil der Brennkammer, der mit dem Brennerkörper verbunden ist, aus einem feuerfesten Stoff niedriger Wärmeleitfähigkeit, um Wärmeleitungsprobleme zu verhindern und einen kühleren Betrieb des Brennerkörpers zu ermöglichen. Dabei sollten die Koeffizienten der Wärmedehnung beider Teile zueinander und zu den feuerfesten Werkstoffen des Schmelzofens kompatibel sein.

Das mit dem Innenraum des Schmelzofens in Verbindung stehende Ende der Brennkammer kann vorteilhafterweise mit einer Verengung versehen sein, beispielsweise in Form einer Öffnung, die einen

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kleineren Durchmesser besitzt als der Hauptteil der Brennkammer. Diese Verengung gewährleistet, daß eine vollständige Verbrennung innerhalb der Brennkammer stattfindet, so daß wenig oder keine unverbrannte Luft aus dem Brenner aus- und in den Schmelzofen eintritt.

Der zusammengesetzte, feuerfeste Aufbau des Tunnels, d.h. der Brennkammer,.ist ein bemerkenswertes Merkmal .der-Erfindung,.-da es einen richtigen Ausgleich hinsichtlich der gewünschten feuerfesten Eigenschaften möglich macht, was bei Verwendung eines einzigen feuerfesten Stoffes nicht möglich wäre.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile schmälern die in bekannter Weise bei Vormischungs-Gasbrennern vorhandene günstige Eigenschaft, daß nämlich Vormischungs-Gasbrenner, die zum Regulieren Stopfen besitzen, weitgehend in der Leistung zurückgefahren werden können, in keiner Weise.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt einen abgebrochen gezeichneten Längsschnitt eines Vormischungs-Gasbrenners gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des hier aufzuzeigenden Gasbrenners weist eine Brennkammer 11 auf, die aus mindestens zwei Arten von feuerfesten Stoffen gefertigt und passend in der Wandung eines Schmelzofens (der nicht dargestellt ist) aufnehmbar ist. Ein Teil 17 der Brennkammer, der dem Innenraum des Schmelzofens nächstgelegen ist, ist aus einem verschleißfesten, feuerfesten Stoff gefertigt, der der inneren Auskleidung des Schmelzofens ähnlich ist, vorzugsweise aus Siliziumkarbid. Ein Teil 18 der Brennkammer, der am Brennerkörper 12 befestigt ist, ist vorzugsweise aus einem formbaren,

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feuerfesten Stoff gebildet, der eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen Koeffizienten der Wärmeausdehnung besitzt, der mit demjenigen des ersten Teils 17 kompatibel ist. Diese zweiteilige Konstruktion ermöglicht es, daß sich die Brennkammer zusammen mit der Auskleidung des Schmelzofens während des thermischen Zyklus ausdehnen und zusammenziehen kann, während gleichzeitig der Brennerkörper von dem größten Teil der Hitze des Schmelzofens isoliert gehalten wird. Der Durchstrom von Gas trägt ebenfalls zur Kühlung des Brennerkörpers bei, so daß eine schnelle Beeinträchtigung, wie sie bei einem Überhitzen eintreten würde, vermieden ist.

Der Brennerkörper 12 ist als Rohrstück ausgebildet, das an zwei gegenüberliegenden Enden offen ist. Das eine der offenen Enden ist an der Brennkammer 11 angebracht. Das andere offene Ende ist mit einer Zuführ-Hauptleitung (nicht dargestellt) für Luft und Brennstoff angeschlossen. Der Brennerkörper weist einen gekrümmten Abschnitt auf, so daß die Brennkammer in einem Winkel zur Zuführleitung für Luft und Brennstoff gerichtet ist. Die Zuführleitung ist durch bekannte Mittel befestigt, beispielsweise durch Anschweißen, Anflanschen oder dgl.

Innerhalb des Brennerkörpers 12 ist ein Stopfen 13 zum Steuern des Einströmens von Luft und Brennstoff in die Brennkammer durch einen verengten Durchlaß 21 vorgesehen. Ein hohles Zugangsrohr 14 durchzieht den Stopfen 13. Das Zugangsrohr 14 ist verschiebbar mittels eines im Brennerkörpers angeordneten Haltebandes 16 gelagert und steht mit der Außenseite des Brennerkörpers in Verbindung. Das äußere Ende dieses Zugangrohrs 14 ist durch ein abnehmbares Schauglas 15 verschlossen, das eine visuelle Überwachung sowohl des Innenraums der Brennkammer als auch des Innenraums des Schmelzofens selbst ermög-y

licht.

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Das Zugangsrohr ist in der Größe so ausgelegt, daß es das Einführen von Brechstangen oder von Lanzen zum Beseitigen jedweder Verstopfungen des Brenners ermöglicht, die während des Betriebs auftreten könnten.

Bei dem gezeigten vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist der Brennerkörper außerdem auch einen abnehmbar angeflanschten Abschlußdeckel 2o, der auf den Stopfen 13 ausgerichtet ist, auf, wobei dieser Äbschlußdeckel 2o so groß ist, daß er ein Herausnehmen des . Stopfens und seines Haltebandes 16 zum Zwecke einer Reparatur oder eines Austausches des Stopfens ermöglicht, ohne den Brenner vollständig auseinandernehmen zu müssen.

Der Brennerkörper kann auch eine Vielzahl anderer Einzelheiten, wie sie bei Brennern dieser Art üblich sind, aufweisen, beispielsweise einen Durchgang 19, der in die Brennkammer führt und als Zündeinrichtung vorgesehen ist, beispielsweise für eine direkte Zündung mittels Zündkerze, Vormischungs-Zündpilot oder auch für manuelle Zündung.

Der hier aufgezeigte Vormischungs-Gasbrenner ist in erster Linie für den Betrieb mit Naturgas, das mit Luft vermischt ist, ausgelegt, kann jedoch auch an den Betrieb mit anderen Brennstoffen angepaßt werden, beispielsweise mit Propan, fabrikmäßig hergestelltem Gas (synthetisches Gas) oder auch mit verdampftem Heizöl.

Vorteilhafterweise ist die Strömungsgeschwindigkeit der unverbrannten Vormischung im Brennerkörper verhältnismäßig niedrig, um übermäßige Geräuschentwicklung zu vermeiden. Dies läßt sich entweder durch einen großen Durchmesser des Brennerkörperβ erreichen oder durch Zuführen der Vormischung unter hohem Druck.

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Die Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich unmittelbar vor der Brennkammer durch das Hindurchströmen durch den verengten Durchlaß 21.

Der Brenner kann über einen weiten Bereich des Durchsatzes von Luft und Brennstoff betrieben werden, wobei die Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte, die die Brennkammer verlassen_rgut steuerbar ist. Dies ist in vielen Prozessen speziell wichtig, beispielsweise beim Metallschmelzen, wo ein Überschuß an Brennstoff erwünscht ist, um zu verhindern, daß unverbrannter Sauerstoff mit dem Metall des Schmelzofens reagieren kann. Auch in anderen Anwendungsfällen ist die einwandfreie Steuerbarkeit sehr wichtig, wenn es darum geht, die Forderunaen nach guter Brennstoffausnutzung und guter Steuerung der Atmosphäre gleichzeitig zu erfüllen.

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Claims

Reg.-Nr. 125 579 Southwire Company, Carrollton, Georgia/USA PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. Wolff t H. Bartels Dipl.-Chem. Dr. Brandes Verfahren zum Betreiben eines Dr.-Ing. Held Metallschmelzofens und Gasbrenner, Dipl.-Phys.Wolff insbesondere zum Durchführen des Vprfahrpns D-7 Stuttgarts Lange Straße aes vertanrens Tei.(O7ii)2963iou.29 72 *V Λ Λ. n> λ ΤβΙβΧ °7 22312 (Patwo d) Z R Π 7 I 9 2 Telegrammadresse: *" tlx 07 22312 wolff Stuttgart PA Dr. Brandes: Sitz München Postscheckkto. Stuttgart 7211-700 BLZ 60010070 Patentan S'P r Ü C h e Deutsche Bank AG, 14/28630 BLZ 60070070 Bürozeit: 9-11.30 Uhr, 13.30-16 Uhr außer samstags 9. Februar 1978 48237533 ers

1. Verfahren zum Betreiben eines Metallschmelzofens mit einem Brenner für den Betrieb mit einer gasförmigen Vormischung aus Brennstoff und Verbrennungsluft, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

b) Hindurchströmen der Vormischung durch den gekrümmten Brennerkörper hindurch und um die Außenseite eines abgedichteten Zugangsrohres, wodurch dieses Zugangsrohr gekühlt wird?

c) Steuern des Stroms der Vormischung vom Brennerkörper in eine Brennkammer durch Lageeinstellung eines Stopfens im Strömungsweg?

d) Zünden und Verbrennen der Vormischung wobei als Brennkammer eine solche verwendet wird, die eine erste feuerfeste Wand niedriger Wärmeleitfähigkeit und eine zweite feuerfeste Wand aus verschleißfestem Werkstoff besitzt, und

e) Herausführen der verbrannten Gase aus der Brennkammer mit 'hoher Temperatur dureh eine öffnung

in der verschleißfesten zweiten feuerfesten Wand ο

Tctofonischo Auskünfte undl Auftrags sind nur nach schriftlicher 809834/0802 Bestätigung vorbindlidi

ORIGINAL INSPECTED

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt a) die Zusammensetzung der Vormischung so eingestellt wird, daß mehr Brennstoff zugeführt wird als theoretisch zur Reaktion mit dem gesamten vorhandenen Sauerstoff erforderlich ist, und daß beim Verfahrensschritt d) im wesentlichen der gesamte Sauerstoff in der Vormischung verbrannt wird, so daß die verbrannten Gase des Verfahrensschritts e) keinen unverbrannten Sauerstoff enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt c) eine verengte Durchlaßöffnung zwischen dem Stopfen und dem Brennerkörper gebildet wird und daß jedwede Flammausbreitung aus der Brennkammer in den Brennerkörper verhindert wird, indem die Größe dieser Durchlaßöffnung so bemessen wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Vormischung in Vorwärtsrichtung die nach rückwärts gerichtete Flammen-Ausbreitungsgeschwindiqkeit übersteigt.

4. Vormischungs-Gasbrenner, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Brennkammer, einem Brennerkörper und einem Stopfen zum Steuern des Gasstroms vom Brennerkörper zur Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ein gerades Zugangsrohr (14), das den Stopfen (13) mit der Außenseite des Brennerkörpers

(12) verbindet, besitzt, daß das Zugangsrohr (14) einen durch den Stopfen (13) hindurch von der Brennkammer (11) zur Außenseite des Brennerkörpers (12) führenden Durchgang bildet, daß eine abnehmbare Verschlußeinrichtung (15) zum dichten Verschließen dieses Durchgangs vorgesehen ist, um den Austritt von Verbrennungsgasen aus dem Brenner zu verhindern, daß zum Haltern des Zugangsrohres (14) und des Stopfens (13) innerhalb des Brennerkörpers (12) eine Lagerung (16) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß sie den Durchtritt

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von Gas durch den Brennerkörper (12) in die Brennkammer (11) ermöglicht, und daß eine mit der Brennkammer (11) in Fluidverbindung stehende Zündeinrichtung (19) vorgesehen ist, die zum Zünden des Brenners betätigbar ist.

5. Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußeinrichtung aus einem lichtdurchlässigen Fenster (15) gebildet ist, das an einem Ende des Zugangsrohres (14) abnehmbar angebracht ist und eine visuelle Überwachung des Innenraums der Brennkammer (11) und"des "Schmelzofens ermöglicht.

6. Brenner nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß

er im Brennerkörper (12) eine Zugangsöffnung (2o) besitzt, die das Entnehmen des Stopfens (13), des Zugangsrohres (14) und der Lagerung (16) aus der Brennkammer ohne Demontage des Brennerkörpers (12) ermöglicht.

7. Brenner nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen feuerfesten Teil (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit, der am Brennerkörper (12) angebracht ist, sowie mindestens einen an diesem Teil (18) zusätzlich angebrachten weiteren feuerfesten Teil (17) aus verschleißfestem Werkstoff besitzt.

8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißfeste, feuerfeste Teil (17) aus Siliziumkarbid gefertigt und so angeordnet ist, daß er den von den heißen, aus der Brennkammer (11) ausströmenden Gasen zuletzt beaufschlagten Teil bildet.

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