DE69921950T2

DE69921950T2 - Einspritzdüse für Brenner und entsprechendes Einspritzsystem

Info

Publication number: DE69921950T2
Application number: DE69921950T
Authority: DE
Inventors: Dominique Robillard; Thierry Borissoff; Celso Zerbinatti; Dora Sophia Alves; Jacques Dugue
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: FR2788108B1; FR2788108A1; US6360677B1; ATE282795T1; EP1016828B1; AU6548999A; ES2234228T3; JP2000193206A; EP1016828A1; DE69921950D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Einspritzdüsen für Brenner, die eine Längsachse aufweisen, und betrifft insbesondere Erschmelzungsverfahren von Zementklinker, einer Zwischenstufe bei der Herstellung von Zementen.
Der Zementklinker wird durch Brennen von Steinbruchmaterialien, wie beispielsweise Ton, Kalkstein ... bei hoher Temperatur erhalten.
Man unterscheidet drei Hauptarten des Brennens für die Erschmelzung von Zementklinker, und zwar das Brennen im Naßverfahren, das Brennen im Halbtrocken-Verfahren und das Brennen im Trockenverfahren.
Im Fall der Halbtrocken- und Trocken-Verfahren umfaßt die Anlage zum Brennen nacheinander eine Vorrichtung zum Vorkalzinieren, um die Ausgangsmaterialien vorzuwärmen, zu entfeuchten und ihnen Kohlesäure zu entziehen, beispielsweise einen "Lepol"-Rost und einen Drehofen, in den sich das Material ergießt und in dem die Klinkerbildung erfolgt. Dieser Drehofen liefert an einem Ausgang Zementklinker.
Eine Hauptdüse liegt auf der Ebene des Ausgangs des Drehofens. Diese Düse leitet die notwendige Wärmeenergie in den Drehofen ein. Die Wärmeenergie, die für das Funktionieren der Vorrichtung zum Vorkalzinieren erforderlich ist, wird zum größten Teil durch die Rauchgase beigetragen, die durch die Hauptdüse erzeugt werden, wobei diese Rauchgase in dem Drehofen im Gegenstrom zum Material zirkulieren. Eine zusätzliche Energie ist auf der Ebene der Vorrichtung zum Vorkalzinieren erforderlich.
Im Fall eines "Lepol"-Rosts wird diese zusätzliche Energie durch die Verbrennung einerseits eines Hauptbrennstoffs mit hohem spezifischem Heizwert (PCI), beispielsweise über 6000 th/t, und andererseits eines Hilfsbrennstoffs mit niedrigem PCI, beispielsweise untern 2000 th/t, sichergestellt.
Im allgemeinen besteht der Hauptbrennstoff aus flüssigen Industrieabfällen, die bis zu 30 % Wassermasse enthalten, und der Hilfsbrennstoff besteht aus Industrieabwässern. Um die zusätzliche Energie im Inneren der Vorrichtung zum Vorkalzinieren sicherzustellen, werden die Brennstoffe mit Hilfe von Druckluft in den verschiedenen Einspritzdüsen zerstäubt.
Der Sauerstoff, der in den Rauchgasen, die im Inneren der Vorrichtung zum Vorkalzinieren vorhanden sind, enthalten ist, bildet den hauptsächlichen, die Verbrennung bewirkenden Stoff. Zusätzlicher Sauerstoff wird in der Nähe der Einspritzdüse von Hauptbrennstoff mittels einer dritten Einspritzdüse eingeführt.
In der Vorrichtung zum Vorkalzinieren wird der Hauptbrennstoff in Form einer oberen Lage zerstäubt, der Hilfsbrennstoff wird in Form einer unteren Lage zerstäubt, die von der oberen Lage beabstandet ist, und der zusätzliche Sauerstoff wird in Form einer mittleren Lage eingespritzt, die sich zwischen den beiden Lagen in der Nähe der oberen Lage befindet.
Der Haupt- und Hilfsbrennstoff und der zusätzliche Sauerstoffträger vermischen sich schlecht aufgrund ihrer Einspritzung in parallelen Lagen.
Infolgedessen ist die Verbrennungsleistung der einzuspritzenden Brennstoffe relativ schwach, und es wird festgestellt, daß der Verbrauch des in den Rauchgasen vorhandenen Sauerstoffs ebenfalls relativ niedrig ist.
Außerdem ist die Einheit des Einspritzsystems platzraubend.
Die Dokumente FR-1 385 061 und US 5,129,335 beschreiben Einspritzdüsen von Brennstoff-Brennern, bei denen es notwendig ist, die Außenwand der Einspritzdüsen mit Hilfe eines flüssigen Kühlmittels zu kühlen.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Probleme zu lösen durch Bereitstellung von verbesserten Einspritzdüsen, die es ermöglichen, die Verbrennungsleistung der Brennstoffe in den Erschmelzungsverfahren von Zementklinker bei reduziertem Platzbedarf zu verbessern.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Einspritzdüse für einen Brenner zur Aufgabe, die eine Längsachse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einheit zum Einspritzen eines Hauptbrennstoffs mit einem Ausgang für Hauptbrennstoff, eine Einheit zum Einspritzen eines Sauerstoffträgers mit einem Ausgang für den Sauerstoffträger und eine Einheit zum Einspritzen eines Hilfsbrennstoffs mit einem Ausgang für Hilfsbrennstoff aufweist, und dadurch, daß die Einheiten zum Einspritzen von Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger koaxial sind und radial umeinander angeordnet sind, und dadurch, daß die Einheit zum Einspritzen des Brennstoffs mit niedrigerem spezifischem Heizwert (PCI) radial außerhalb der Einspritzdüse (1) liegt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Einspritzdüse eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen, einzeln oder in allen technisch möglichen Kombinationen:

– eine oder jede Brennstoffeinspritzeinheit ist eine Einheit zur Zerstäubung des Brennstoffs, die Mittel zur Leitung des Brennstoffs, Mittel zur Leitung eines Zerstäubungsfluids und Mittel zur Zerstäubung umfaßt, die mit den Mitteln zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids verbunden sind;
– für die oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit sind die Mittel zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids radial umeinander angeordnet;
– für die oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit sind die Mittel zur Leitung des Zerstäubungsfluids um Mittel zur Leitung des Brennstoffs angeordnet;
– eine oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit in der Einspritzdüse ist relativ zu der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit auf gleitende und zwischen zumindest einer beabstandeten Position und einer angenäherten Position einstellbare Weise montiert, wobei der entsprechende Brennstoffausgang und der Sauerstoffträgerausgang in der beabstandeten und der angenäherten Position beabstandet beziehungsweise angenähert sind;
– die oder jede Brennstoffeinspritzeinheit ist abnehmbar;
– die Sauerstoffträger-Einspritzeinheit ist radial zwischen der Hauptbrennstoff-Einspritzeinheit und der Hilfsbrennstoff-Einspritzeinheit angeordnet;
– die Einspritzeinheit des Brennstoffs mit niedrigerem spezifischen Heizwert ist radial weiter außen an der Einspritzdüse angeordnet als die Einspritzeinheit des Brennstoffs mit höherem spezifischem Heizwert;
– die Einspritzdüse umfaßt Mittel zum in Drehung Versetzen eines oder jedes Brennstoffs und/oder des Sauerstoffträgers um die Längsachse der Ein spritzdüse am Ausgang des entsprechenden Einspritzeinheit;
– die Mittel zum in Drehung Versetzen umfassen Kanäle mit Schraubenform in bezug auf die Längsachse der Einspritzdüse;
– die Kanäle bilden einen Winkel mit der Längsachse der Einspritzdüse, der zwischen etwa 0 und 30° liegt;
– die Einspritzdüse umfaßt einen Zerstäubungskopf mit kalibrierten Öffnungen, der stromabwärts von den jeweiligen Ausgängen der Einspritzeinheiten für Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger angebracht ist; und
– kalibrierte Öffnungen des Zerstäubungskopfs definieren in einer Längsebene der Einspritzdüse miteinander einen Winkel zwischen etwa 20 und 120°.

Die Erfindung hat ebenfalls zur Aufgabe ein System zur Einspritzung von Haupt- und Hilfsbrennstoffen und von Sauerstoffträger, umfassend eine Hauptbrennstoffquelle, eine Hilfsbrennstoffquelle, eine Sauerstoffträgerquelle und wenigstens eine Einspritzdüse, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse eine Einspritzdüse wie vorher beschrieben ist, und dadurch, daß die Hauptbrennstoff- und Hilfsbrennstoff- und Sauerstoffträger-Einspritzeinheiten von der Einspritzdüse jeweils an die Quellen von Haupt- und Hilfsbrennstoff und von Sauerstoffträger angeschlossen sind.
In einer Variante ist eine oder jede Einspritzeinheit von Brennstoff eine Zerstäubungseinheit des Brennstoffs, die Mittel zur Leitung des Brennstoffs, Mittel zur Leitung eines Zerstäubungsfluids und Mittel zur Zerstäubung umfaßt, die mit den Mitteln zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids verbunden sind, und das Einspritzsystem umfaßt des weiteren wenigstens eine Quelle eines Zerstäubungsfluids, die mit den Mitteln zur Leitung eines Zerstäubungsfluids der oder jeder Brennstoffzerstäubungseinheit verbunden ist.
Im übrigen kann die Sauerstoffträgerquelle eine Gasquelle sein, die zwischen 30 und 100 % Sauerstoff aufweist.
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung, die nur als Beispiel angegeben und unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen im Anhang angefertigt wurde, besser verstanden:
1 ist eine schematische Ansicht im Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse,
die 2 bis 4 sind zu 1 analoge Ansichten, die verschiedene Elemente darstellen, welche die Einspritzdüse aus 1 ausbilden, und
5 ist eine schematische Teilansicht, im Längsschnitt und vergrößert, die das Ausgangsende einer Variante der Einspritzdüse aus 1 darstellt.
1 zeigt eine Einspritzdüse 1 für ein Erschmelzungsverfahren von Zementklinker mittels Halbtrocken- oder Trockenverfahren.
Diese Einspritzdüse 1, die eine allgemeine axialsymmetrische Form in der Verlängerung von Achse X-X aufweist, umfaßt im wesentlichen eine innere Einspritzeinheit 2 für einen flüssigen Hauptbrennstoff mit hohem PCI, eine mittlere Einspritzeinheit 3 für Sauerstoff träger und eine äußere Einspritzeinheit 4 für einen flüssigen Hilfsbrennstoff mit schwachem PCI.
Die Einheiten 2, 3 und 4 sind im wesentlichen axialsymmetrisch und koaxial.
Die äußere Einspritzeinheit 4 ist radial zum Äußeren der mittleren Einspritzeinheit 3 angeordnet, die selber radial zum Äußeren der inneren Einspritzeinheit 2 liegt.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, umfaßt die Einspritzeinheit 2 des Hauptbrennstoffs im wesentlichen ein inneres Rohr 5 zur Leitung des Hauptbrennstoffs, einen Zerstäubungskopf 6, der das innere Rohr 5 nach vorne oder stromabwärts verlängert, (in den 1 und 2 nach links), und ein äußeres Rohr 7, welches das Rohr 5 außen umgibt.
Der Kopf 6 weist eine zentrale axiale Bohrung 8 auf, die mit dem Inneren des Rohrs 5 und einem kegelförmigen äußeren Kragen 9 in Verbindung steht, der von sechs schrägen Bohrungen 10 durchbrochen wird, die regelmäßig um die Achse X-X verteilt sind. Die Bohrungen 10 münden in die Bohrung 8. Diese Bohrungen 10 weisen in bezug auf die Achse X-X im gleichen Winkel nach vorne geneigte Achsen auf. Ansatzstücke 11, die von kalibrierten Öffnungen abgenommen werden können, werden in diese Bohrungen 10 eingeführt.
Der Kopf 6 weist ebenfalls drei nach außen radial vorspringende Metallstücke 12 auf, und die axial nach hinten liegen (in den 1 und 2 nach rechts) in bezug auf den Kragen 9. Diese Metallstücke 12 sind regelmäßig winklig verteilt in bezug auf die Achse X-X. Das vordere oder stromabwärts liegende Ende des Rohrs 7 liegt einerseits axial auf dem Kragen 9 und andererseits radial auf den Metallstücken 12 auf. Es ist anzumerken, daß die Auflage des vorderen Endes des Rohrs 7 auf dem Kragen 9 entlang den kegelförmigen Oberflächen erfolgt, die in bezug auf die Achse X-X geneigt sind, was die Dichtigkeit zwischen dem Rohr 7 und dem Kragen 9 sicherstellt.
Ein Ring 13 mit Innengewinde und befestigt am rückwärtigen Ende des Rohrs 7 ist auf einen rückwärtigen Abschnitt mit Gewinde 130 des Rohrs 5 aufgeschraubt. Dieser Ring 13 stellt mit dem Kragen 9 und den Metallstücken 12 die Beibehaltung der Längsposition und der zentrierten radialen Position des Rohrs 5 in bezug auf das Rohr 7 sicher. Eine Dichtung 131 ist zwischen dem Ring 13 und einer ringförmigen äußeren Schulter 132 des Rohrs 5 angeordnet. Diese Schulter 132 liegt vor dem Abschnitt mit Gewinde 130 des Rohrs 5.
Ein rohrförmiges querverlaufendes Anschlußstück 14 ist geringfügig vor dem Ring 13 an der Rückseite des Rohres 7 angeordnet.
Die Rohre 5 und 7 begrenzen zwischen sich eine Durchführung 15 zur Leitung von Zerstäubungsfluid, die an der Vorderseite mit den Öffnungen der Ansatzstücke 11, und damit mit der Bohrung 8, und an der Rückseite mit dem Anschlußstück 14 dank einer Öffnung 16 in Verbindung steht, die in der Wand des Rohrs 7 ausgespart ist.
Das innere Rohr 5 wird nach hinten durch ein rohrförmiges längliches Anschlußstück 17 verlängert.
Die mittlere Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 umfaßt im wesentlichen (1 und 3) ein Rohr 20, das nach vorne durch einen Einspritzkopf 21 verlängert wird und hinten mit einer Klemmvorrichtung 22 ausgestattet ist.
Das Rohr 20 ist ebenfalls mit einem rohrförmigen querverlaufenden Anschlußstück 23 ausgestattet, das geringfügig vor der Klemmvorrichtung 22 liegt.
Der Einspritzkopf 21 weist eine zentrale Bohrung 24 auf, die mit dem Inneren des Rohrs 20 in Verbindung steht. Die Bohrung 24 weist einen konstanten Querschnitt auf, außer in einem mittleren Abschnitt 25, wo ihr Querschnitt nach vorne zusammenläuft.
Sechs axiale Rillen 26 mit rechtwinkligem Querschnitt und regelmäßig winklig um die Achse X-X beabstandet sind in der Dicke des Kopfs 21 ausgespart.
Die Rillen 26 sind radial von der Außenseite des Kopfs 21 aus ausgespart und münden einerseits in den vorderen Abschnitt des Einspritzkopfs 21, und andererseits in eine ringförmige äußere Rille 27 mit V-förmigen Querschnitt und mit Achse X-X, die in der Dicke des Kopfs 21 ausgespart ist. Diese ringförmige äußere Rille 27 liegt im wesentlichen auf der gleichen axialen Ebene wie der konvergierende mittlere Abschnitt 25 der Bohrung 24.
Der Kopf 21 wird nach hinten durch drei innere Laschen 270 verlängert, die regelmäßig winklig voneinander beabstandet sind. Diese Laschen 270 sind in das Innere des Rohrs 20 eingeschoben. Diese Laschen 270, die gegen die Wand des Rohrs 20 gepreßt werden, werden jeweils von einer querverlaufenden Schraube durchquert, welche die Einstückigkeit des Kopfs 21 und des Rohrs 20 sicherstellt. Die Auflage des vorderen Endes des Rohrs 20 auf dem Kopf 21 erfolgt entlang den kegelförmigen Oberflächen, die in bezug auf die Achse X-X geneigt sind, was die Dichtigkeit zwischen dem Rohr 20 und dem Kopf 21 sicherstellt.
Die Klemmvorrichtung 22 umfaßt im wesentlichen ein Ansatzstück 271 mit einem Außengewinde und einstückig mit den rückwärtigen Ende des Rohrs 20, eine Mutter 28, die auf das rückwärtige Ende des Ansatzstücks 271 aufgeschraubt wird, einen geschlitzten elastischen Ring 29, eine nicht dargestellte Metall-Unterlegscheibe und eine O-Ring-Dichtung 30. Die O-Ring-Dichtung 30 liegt auf einer rückwärtigen inneren Schulter 31 des Ansatzstücks 27 auf. Die Metall-Unterlegscheibe wird zwischen der O-Ring-Dichtung 30 und dem geschlitzten elastischen Ring 29 positioniert, der auf einer ringförmigen inneren rückwärtigen Lippe 32 der Mutter 28 und dem geschlitzten elastischen Ring 29 aufliegt.
Die Hauptbrennstoff-Einspritzeinheit 2 ist entlang der Achse X-X im Inneren der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 gleitend angeordnet. Damit wird eine Durchführung 35 zur Leitung des Sauerstoffträgers (1) zwischen dem Zerstäubungskopf 6 der Einspritzeinheit 2 und dem Einspritzkopf 21 der Einspritzeinheit 3 und zwischen dem Rohr 7 der Einspritzeinheit 2 und dem Rohr 20 der Einspritzeinheit 3 begrenzt. Diese Durchführung 35 steht an der Rückseite mit dem Anschlußstück 23 der Einspritzeinheit 3 über eine Öffnung 36 in Verbindung, die in der Wand des Rohrs 7 ausgespart ist.
Die auf das Ansatzstück 271 der Klemmvorrichtung 22 aufgeschraubte Mutter 28 drückt über ihre ringförmige Lippe 32, den elastischen Ring 29 und die Metall-Unterlegscheibe die O-Ring-Dichtung 30 zusammen, die auf der Schulter 31 des Ansatzstücks 27 zur Auflage kommt. Damit wird die Dichtung 30 an die äußere Oberfläche des Rohrs 7 angelegt, wobei damit die axiale Position der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 in bezug auf die Brennstoff-Einspritzeinheit 2 fixiert und damit die Dichtigkeit zwischen den Rohren 7 und 20 an der Rückseite der Einspritzdüse 1 sichergestellt wird.
Die Laschen 270 kommen radial auf dem vorderen Ende des Rohrs 7 zur Auflage und stellen damit zusammen mit der Klemmvorrichtung 22 die Zentrierung der Hauptbrennstoff-Einspritzeinheit 2 in der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 sicher.
Die Hilfsbrennstoff-Einspritzeinheit 4 umfaßt im wesentlichen (1 und 4) ein inneres Rohr 40 zur Leitung des Hilfsbrennstoffs, einen Zerstäubungskopf 41, der das Rohr 40 nach vorne verlängert, und ein äußeres Rohr 42, welches das Rohr 40 außen umgibt.
Der Kopf 41 weist eine allgemeine kegelförmige Form auf, die nach vorne zusammenläuft. Der Kopf 41 weist eine zentrale axiale Bohrung 43 auf, die mit dem Inneren des Rohrs 40 und sechs schrägen Bohrungen 44 in Verbindung steht, die regelmäßig winklig um die Achse X-X verteilt sind. Die Bohrungen 44 sind in bezug auf die Achse X-X in einem gleichen Winkel nach vorne geneigt und stehen mit der zentralen Bohrung 43 in Verbindung.
Abnehmbare Ansatzstücke 440 mit kalibrierten Öffnungen werden in die Bohrungen 44 eingesetzt. Ein Ring 46 mit Innengewinde und einstückig mit dem rückwärtigen Ende des Rohre 42 wird auf einen mittleren Abschnitt des Rohrs 40 aufgeschraubt. Das vordere Ende des Rohrs 42 kommt axial auf dem Zerstäubungskopf 41 zur Auflage.
Es ist anzumerken, daß die Auflage des vorderen Endes des Rohrs 42 auf dem Kopf 41 entlang den kegelförmigen Oberflächen erfolgt, die in bezug auf die Achse X-X geneigt sind, was die Dichtigkeit zwischen dem Rohr 42 und dem Kopf 41 sicherstellt.
Das Rohr 42 ist mit einem querverlaufenden rohrförmigen Anschlußstück 47 ausgestattet, das geringförmig vor dem Ring 46 liegt.
Die Rohre 40 und 42 begrenzen zwischen sich eine Durchführung 48 zur Leitung von Zerstäubungsfluid. Diese Durchführung 48 steht einerseits mit den Öffnungen der Ansatzstücke 440 und damit mit der Bohrung 43, und andererseits mit dem Anschlußstück 47 dank einer Öffnung 49 in Verbindung, die in der Wand des Rohrs 42 ausgespart ist.
Das Rohr 40 ist an seinem rückwärtigen Ende mit einem querverlaufenden rohrförmigen Anschlußstück 51 und anschließend mit einer Klemmvorrichtung 52 ausgestattet, die zur Vorrichtung 22 der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 analog ist.
Die zentrale Bohrung 43 des Zerstäubungskopfs 41 wird durch eine Wand begrenzt, die einen vorderen Abschnitt 53 mit konstantem Querschnitt aufweist, anschließend einen mittleren Abschnitt 54, der nach hinten zusammenläuft, und einen rückwärtigen Abschnitt 55 mit konstantem Querschnitt.
Die Hilfsbrennstoff-Einspritzeinheit 4 ist an der Außenseite der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 entlang der Achse X-X gleitend angeordnet.
Der Abschnitt 53 des Zerstäubungskopfs 41 kommt auf dem vorderen Ende des Einspritzkopfs 21 der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 zur Auflage.
Die axialen Rillen 26 des Einspritzkopfs 21 sind in bezug auf die Bohrungen 44 des Zerstäubungskopfs 41 so gut positioniert, daß diese Rillen 26 mit den Öffnungen der Ansatzstücke 440 in Verbindung stehen, die in die Bohrungen 44 eingeführt sind.
Die Rohre 20 der Einspritzeinheit 3 und 40 der Einspritzeinheit 4 begrenzen zwischen sich eine Durch führung 57 (1) zur Leitung von Hilfsbrennstoff, die einerseits an der Rückseite mit dem querverlaufenden Anschlußstück 51 dank einer Öffnung 58, die in der Wand des Rohrs 40 ausgespart ist, und andererseits an der Vorderseite mit der ringförmigen äußeren Rille 27 des Einspritzkopfs 21, und damit mit den axialen Rille 26 dieses Kopfs 21 in Verbindung steht.
Im übrigen, wie im Fall der Klemmvorrichtung 22, wird die O-Ring-Dichtung 30 der Klemmvorrichtung 52 axial zusammengedrückt, um radial auf der äußeren Oberfläche des Rohrs 20 zur Auflage zu kommen. Damit wird die Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 in der Hilfsbrennstoff-Einspritzeinheit 4 zentriert, und die relative axiale Position dieser Einheiten 3 und 4 wird fixiert.
In der 1 liegt der vordere Abschnitt 60 des Zerstäubungskopfs 6 der Einspritzeinheit 2 axial geringfügig hinter dem vorderen Abschnitt 61 des Einspritzkopfs 21 der Einspritzeinheit 3. Im übrigen liegt der Abschnitt 61 des Einspritzkopfs 21 im wesentlichen auf der gleichen axialen Ebene wie der vordere Abschnitt 62 des Zerstäubungskopfs 41 der Einspritzeinheit 4. Die Abschnitte 60, 61 und 62 begrenzen axial die Ausgänge der Köpfe 6, 21 und 41, wobei diese jeweiligen Ausgänge die gleichen Bezugszeichen haben wie die entsprechenden Abschnitte 60, 61 und 62.
Die Einspritzdüse 1 der 1 ist dazu bestimmt, in der Wand einer Vorrichtung zum Vorkalzinieren, beispielsweise einem "Lepol"-Rost, angeordnet zu werden.
Eine Quelle 64 von unter Druck stehenden flüssigen industriellen Abfallstoffen wird dann an das axiale Anschlußstück 17 angeschlossen, um den Hauptbrennstoff zuzuführen. Diese Abfallstoffe weisen einen PCI von typischerweise zwischen 6000 th/t und 10000 th/t auf. Eine Quelle 65 von Industrieabwässern mit niedrigem PCI wird an das querverlaufende Anschlußstück 51 angeschlossen, um den Hilfsbrennstoff zuzuführen. Eine unter Druck stehende Sauerstoff-Quelle 66 wird an das querverlaufende Anschlußstück 23 angeschlossen, um den Sauerstoffträger zuzuführen, und eine unter Druck stehende Luft-Quelle 67 wird an die querverlaufenden Anschlußstücke 14 und 47 angeschlossen, um die Zerstäubungsfluide zuzuführen.
Die Einspritzdüse 1 und die Quellen 64 bis 67 bilden daher ein Einspritzsystem 68.
Im Betrieb mischt sich die Luft, die über das Anschlußstück 14 in die Durchführung 15 eingeführt wird, nach dem Durchqueren der Öffnungen in den Ansatzstücken 11 mit dem Hauptbrennstoff mit hohem PCI auf der Ebene des Zerstäubungskopfs 6, wobei dieser Brennstoff zerstäubt wird. Der Hauptbrennstoff wird aus dem Ausgang 60 des Kopfs 6 in einem auseinanderlaufenden Strahl von sehr feinen Tröpfchen ausgestoßen. Dieser Strahl trifft auf die innere Seite 63 des Abschnitts 61 des Einspritzkopfs 21 der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 auf.
Der in das Anschlußstück 23 eingeführte Sauerstoff zirkuliert in die Durchführung 35. Dieser Sauerstoff wird anschließend aus dem Kopf 21 in Form eines Strahls ausgestoßen, der den Hauptbrennstoffstrahl von außen umgibt. Aufgrund der Formen und Anordnungen bezüglich des Zerstäubungskopfs 6 und des Einspritzkopfs 21 mischt sich der Sauerstoff, der in den Kopf 21 zirkuliert, teilweise mit dem Hauptbrennstoffstrahl zwischen dem Ausgang 60 des Kopfs 6 und dem Ausgang 61 des Kopfs 21. Beim Verlassen des Ausgangs 61 des Kopfs 21 setzt sich das Vermischen des Hauptbrennstoffs und des Sauerstoffträgers fort.
Der Brennstoff mit niedrigem PCI, der in das Anschlußstück 51 eingeführt wird, wird in die Durchführung 57 und anschließend durch die axialen Rillen 26 des Einspritzkopfs 21 geleitet. In diesen axialen Rillen 26 trifft der Brennstoff mit niedrigem PCI auf die unter Druck stehende Luft, die in das Anschlußstück 49 und anschließend in die Durchführung 48 und die Öffnungen der Ansatzstücke 440 geleitet wird.
Der Brennstoff mit niedrigem PCI wird somit zerstäubt und verläßt die axialen Rillen 26 in Form eines Strahls mit sehr feinen Tröpfchen.
Der Hilfsbrennstoffstrahl mischt sich anschließend mit den Sauerstoff- und Hauptbrennstoff-Strahlen, und eine Flamme wird erzeugt.
Die auf diese Weise erzeugte Flamme am Ausgang der Einspritzdüse 1 ermöglicht es, gute Verbrennungsleistungen der Brennstoffe mit geringem und hohem PCI zu erzielen und die Menge der Rückstände zu reduzieren.
Diese guten Leistungen sind einerseits auf die Zwischeneinspritzung des Sauerstoffs zurückzuführen, der es ermöglicht, im Kern der Flamme eine mit Sauerstoff dotierte Pilotflamme zu schaffen, die einen zentralen heißen Punkt erzeugt, und andererseits auf die Tatsache, daß die Brennstoffe in Form von koaxialen Strahlen von sehr feinen Tröpfchen zerstäubt werden, die sich eng vermischen.
Des weiteren, da der Brennstoff mit niedrigem PCI an der Außenseite der Einspritzdüse 1 zirkuliert, wird festgestellt, daß es nicht notwendig ist, ein externes Kühlsystem bereitzustellen. Tatsächlich spielt der Brennstoff mit niedrigem PCI die Rolle des flüssigen Kühlmittels, wobei somit die Einspritzdüse 1 und die Schamotteverkleidung der Vorrichtung zum Vorkalzinieren geschützt werden, in der die Einspritzdüse 1 angebracht ist.
Im übrigen läßt sich die erfindungsgemäße Einspritzdüse leicht einbauen und ausbauen und weist zahlreiche Möglichkeiten zur Einstellung auf, wie dies im folgenden beschrieben wird.
Nach dem Herausdrehen der Mutter 28 der Klemmvorrichtung 22 kann die Hauptbrennstoff-Einspritzeinheit 2 frei im Inneren der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 gleiten. Somit kann die Position des Ausgangs 60 des Zerstäubungskopfs 6 in bezug auf die Ausgänge 61 und 62 des Einspritzkopfs 21 und des Zerstäubungskopfs 41 beispielsweise verändert werden. Durch erneutes Festziehen der Mutter 28 kann dann die Brennstoff-Einspritzeinheit 2 in einer anderen Position in bezug auf die Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 fixiert werden, beispielsweise weiter nach hinten versetzt vom Ausgang 60 in bezug auf den Ausgang 61, oder in einer Position, die diesen Ausgängen 60 und 61 näher liegt.
Es ist ebenfalls möglich, die Hauptbrennstoff-Einspritzeinheit 2 nach dem Herausdrehen der Mutter 28 vollständig aus dem Rest der Einspritzdüse 1 herauszuziehen. Nach dem Abschrauben des Rings 13 kann das Rohr 7 in bezug auf das Rohr 5 zurückgeschoben werden, und somit können die Ansatzstücke 11 mit kalibrierten Öffnungen des Zerstäubungskopfs 6 zugänglich gemacht werden, um sie zu reinigen oder auszutauschen.
In analoger Weise kann nach dem Herausdrehen der Mutter 28 der Klemmvorrichtung 52 die Position der Sauerstoffträger-Einspritzeinheit 3 in bezug auf die Hilfsbrennstoff-Einspritzeinheit 4 geändert werden, bzw. die Einheit 3 vollständig aus der Einheit 4 herausgezogen werden.
ES ist daher möglich, durch erneutes Festziehen der Mutter 28 der Klemmvorrichtung 52 die Einspritzeinheiten 3 und 4 fest in einer Position zu halten, in welcher der Ausgang 61 des Kopfs 21 beispielsweise in bezug auf den Ausgang 62 des Kopfs 41 nach hinten versetzt ist.
Wenn die Einheit 3 vollständig aus der Einheit 4 herausgezogen ist, ist es durch Herausschrauben der Schrauben der Laschen 270 möglich, den Einspritzkopf 21 auszutauschen, der das Rohr 20 verlängert.
Schließlich ist es durch Herausdrehen des Rings 46 möglich, das Rohr 42 in bezug auf das Rohr 40 zurückzuschieben, um die Ansatzstücke 440 mit kalibrierten Öffnungen des Zerstäubungskopfs 41 zu reinigen oder auszutauschen.
Die üblichen Wartungsvorgänge, wie das Reinigen der Durchgangsöffnungen der verschiedenen Fluide sowie die Modifizierungen der Eigenschaften der Köpfe 26, 21 und 41 oder der jeweiligen Positionen ihrer entsprechenden Ausgänge 60, 61 und 62 lassen sich daher leicht ausführen.
Insbesondere ermöglicht die Modifizierung der Ansatzstücke 11 und 440 das Einstellen der Ausgangsgeschwindigkeiten der Zerstäubungsfluide und damit das Verbessern der Größe der Tröpfchen der Brennstoffe am Ausgang der Einspritzdüse 1.
Als Zerstäubungsfluide können Druckluft, Dampf oder jedes andere Fluid verwendet werden. Die spezifische Durchflußmenge jedes Zerstäubungsfluids liegt vorzugsweise zwischen 5 und 20 % der spezifischen Durchflußmenge des entsprechenden zu zerstäubenden flüssigen Brennstoffs.
Gemäß einer Variante werden anstatt der gemeinsamen Quelle 67 zwei getrennte Quellen verwendet, die jeweils an die Anschlußstücke 14 und 47 angeschlossen werden. Diese zwei Quellen können Quellen mit verschiedenen Zerstäubungsfluiden sein.
In dem beschriebenen Beispiel dient der durch die Einspritzeinheit 3 eingespritzte Sauerstoff nur als Zusatz, um die Stöchiometrie der Verbrennungsreaktionen zu erreichen und die erzeugte Flamme zu dotieren. Allerdings kann dieser durch die Einspritzeinheit 3 eingespritzte Sauerstoff bei bestimmten Anwendungen ganz alleine die Stöchiometrie der Verbrennungsreaktionen sicherstellen.
In allgemeinerer Weise wird der Sauerstoffträger ein Gas sein, das zwischen 30 und 100 % Sauerstoff enthält.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante könnten die Rillen 26 eine spiralförmige Form in bezug auf die Achse X-X aufweisen, um dem zerstäubten Hilfsbrennstoff eine spiralförmige Bewegung zu verleihen. Der zwischen den Rillen 26 und der Achse X-X gebildete Winkel liegt daher vorzugsweise zwischen 0 und 30°. Dieses Merkmal ermöglicht es, das Vermischen der Brennstoffe und des Sauerstoffträgers nochmals zu verbessern.
In analoger Weise können (nicht dargestellte) Flügel mit spiralförmiger Form in bezug auf die Achse X-X an der Außenseite des Kopfs 6 vor dem Kragen 9 vorgesehen werden, um dem zwischen dem Zerstäubungskopf 6 und dem Einspritzkopf 21 zirkulierenden Sauerstoffträger eine spiralförmige Bewegung zu verleihen.
Die konzentrische Anordnung der Einspritzdüse ermöglicht es, eine Mischung der Zerstäubungsstrahlen und eine global zufriedenstellende Einspritzung mit einem reduzierten Platzbedarf zu erzielen und, falls notwendig, hohe Brennstoff-Leistungsabgaben.
5 zeigt eine Variante der Einspritzdüse 1 aus 1, gemäß der die Zerstäubungsköpfe 6 und 41 modifiziert sind, und in denen ein letzter Zerstäubungskopf 70 an das vordere Ende der Einspritzdüse 1 angefügt ist.
Ansatzstücke 71 mit kalibrierten Öffnungen sind nun in vierzehn querverlaufenden Bohrungen 72 angeordnet, die in der Wand des Zerstäubungskopfs 6 hinter dem Kragen 9 ausgespart sind. Die Bohrungen 72 sind auf zwei Kreisringen mit sieben Bohrungen verteilt, die regelmäßig winklig um die Achse X-X verteilt sind. Die zwei Kreisringe mit Bohrungen 72 sind axial und winklig zueinander versetzt.
Die Metallstücke 12 sind am vorderen Ende des Rohrs 5 angeordnet.
Ebenso sind Ansatzstücke 74 mit kalibrierten Öffnungen nun in vierzehn querverlaufenden Bohrungen 75 angeordnet, die in der Wand des Zerstäubungskopfs 41 hinter dem zusammenlaufenden Abschnitt 54 ausgespart sind, der die Bohrung 43 teilweise von dem Kopf 41 abgrenzt.
Die Bohrungen 74 sind auf zwei Kreisringen mit sieben Bohrungen verteilt, die regelmäßig winklig um die Achse X-X verteilt sind. Die zwei Kreisringe mit Bohrungen 74 sind axial und winklig zueinander versetzt.
Der letzte Zerstäubungskopf 70 umfaßt ein Rohr 76 mit Achse X-X, das an seinem vorderen Ende durch eine querverlaufende Wand 77 geschlossen ist. Das hintere Ende des Rohrs 76 ist nach hinten und radial nach außen durch einen Ring 78 mit Achse X-X verlängert, dessen kegelförmige innere Oberfläche 79 auf der radial äußeren zusammenlaufenden Oberfläche 80 des Zerstäubungskopfs 41 zur Auflage kommt. Ein Blockiersystem 81, das auf das vordere Ende des Rohrs 42 der Einspritzeinheit 4 aufgeschraubt ist, schiebt mittels der axialen Schrauben 82 den Ring 78 auf den Zerstäubungskopf 41, wobei damit die Dichtigkeit zwischen dem Ausgang der Einspritzdüse 1 und dem letzten Zerstäubungskopf 70 sichergestellt wird.
Die Wand 77 weist zwei schräge Bohrungen 84 auf, die ein Gewinde aufweisen und in einer gleichen Ebene liegen, die durch die Achse X-X führt. Austauschbare Ansatzstücke 85 mit kalibrierten Öffnungen 86 sind in die Bohrungen 84 eingeschraubt. Die Achsen der Bohrungen 84 laufen in bezug auf die Achse X-X nach vorne zusammen.
Das Vorhandensein der Ansatzstücke 71 und 74 mit kalibrierten Bohrungen bieten zusätzliche Einstellmöglichkeiten für die Eigenschaften der Zerstäubung der Haupt- und Hilfsbrennstoffe. Es ist tatsächlich möglich, gewisse dieser Ansatzstücke 71 und 74 zu schließen oder sie auszuwechseln, um die Eigenschaften der erzielten Zerstäubungen bedarfsabhängig einzustellen.
Im übrigen ermöglicht es der Zerstäubungskopf, einen globalen auseinanderlaufenden Zerstäubungsstrahl und damit einen höheren Verbrauch der Sauerstoffmoleküle zu erhalten, die in den Rauchgasen enthalten sind, die in der Vorrichtung zum Vorkalzinieren vorhanden sind. Der zwischen den Achsen der Bohrungen 84 und der Achse X-X gebildete Winkel kann zwischen 10 und 60° liegen.
In allgemeinerer Weise kann die erfindungsgemäße Einspritzdüse auch in Industriezweigen für die Herstellung von Kalk, von Dolomit, aber auch in den Verbrennungsan lagen von Industrieabwässern und Anlagen zur Wiederaufbereitung von radioaktiven Abfällen verwendet werden.

Claims

Einspritzdüse (1) für einen Brenner, die eine Längsachse aufweist, wobei die Einspritzdüse eine Einheit (2) zum Einspritzen eines Hauptbrennstoffs mit einem Ausgang für Hauptbrennstoff (60), eine Einheit (3) zum Einspritzen eines Sauerstoffträgers mit einem Ausgang für den Sauerstoffträger (61) und eine Einheit (4) zum Einspritzen eines Hilfsbrennstoffs mit einem Ausgang für Hilfsbrennstoff (62) aufweist, wobei die Einheiten (2, 3, 4) zum Einspritzen von Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger koaxial sind und radial umeinander angeordnet sind, und die Einheit (4) zum Einspritzen des Brennstoffs mit unterem Heizwert (PCI) radial außerhalb der Einspritzdüse (1) liegt.
Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Brennstoffeinspritzeinheit (2, 4) eine Einheit zur Zerstäubung des Brennstoffs ist, die Mittel (5, 40) zur Leitung des Brennstoffs, Mittel (7, 42) zur Leitung eines Zerstäubungsfluids und Mittel (6, 41) zur Zerstäubung umfasst, die mit den Mitteln zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids verbunden sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit (2, 4) die Mittel (5, 7, 40, 42) zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids radial umeinander angeordnet sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit (2, 4) die Mittel (57, 42) zur Leitung des Zerstäubungsfluids um Mittel (5, 40) zur Leitung des Brennstoffs angeordnet sind.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Brennstoffzerstäubungseinheit (2, 4) in der Einspritzdüse (1) relativ zu der Sauerstoffträgereinspritzeinheit (3) auf gleitende und zwischen zumindest einer beabstandeten Position und einer angenäherten Position einstellbare Weise montiert sind, wobei der entsprechende Brennstoffausgang (60, 62) und der Sauerstoffträgerausgang (61) in der beabstandeten und der angenäherten Position beabstandet beziehungsweise angenähert sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Brennstoffeinspritzeinheit (2, 4) abnehmbar ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffträgereinspritzeinheit (3) radial zwischen der Hauptbrennstoffeinspritzeinheit (2) und der Hilfsbrennstoffeinspritzeinheit (4) angeordnet ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (63) zum in Drehung Versetzen eines oder jedes Brennstoffs und/oder des Sauerstoffträgers um die Längsachse (X-X) der Einspritzdüse (1) am Ausgang (62) des entsprechenden Einspritzeinheit (4) umfasst.
Einspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittel zum in Drehung Versetzen Kanäle (63) mit Schraubenform relativ zur Längsachse (X-X) der Einspritzdüse (1) umfassen.
Einspritzdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (63) einen Winkel mit der Längsachse (X-X) der Einspritzdüse (1) bilden, der zwischen etwa 0 und 30° liegt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zerstäubungskopf (70) mit kalibrierten Öffnungen (86) umfasst, der stromabwärts von den jeweiligen Ausgängen (60, 61, 62) der Einspritzeinheiten (2, 3, 4) für Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger angebracht sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kalibrierten Öffnungen (86) des Zerstäubungskopfs (70) in einer Längsebene der Einspritzdüse (1) miteinander einen Winkel zwischen etwa 20 und 120° definieren.
Einspritzsystem (68) für Haupt- und Hilfsbrennstoff und einen Sauerstoffträger mit einer Quelle (64) für Hauptbrennstoff, einer Quelle (65) für Hilfsbrennstoff, einer Quelle (66) für einen Sauerstoffträger und zumindest einer Einspritzdüse (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse eine Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist und dass die Einheiten (2, 3, 4) zum Einspritzen von Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger der Einspritzdüse jeweils an die Quellen (64, 65, 66) für Haupt- und Hilfsbrennstoff und Sauerstoffträger angeschlossen sind.
Einspritzsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Brennstoffeinspritzeinheit (2, 4) eine Einheit zur Zerstäubung des Brennstoffs ist, die Mittel (5, 40) zur Leitung des Brennstoffs, Mittel (7, 42) zur Leitung des Zerstäubungsfluids und Mittel (6, 41) zur Zerstäubung umfasst, die an die Mittel zur Leitung des Brennstoffs und des Zerstäubungsfluids angeschlossen sind, und dass das Einspritzsystem (68) außerdem eine Quelle (67) für Zerstäubungsfluid umfasst, die an die Mittel (7, 42) zur Leitung des Zerstäubungsfluids der oder jeder Brennstoffzerstäubungseinheit (2, 4) angeschlossen ist.
Einspritzsystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffträgerquelle eine Gasquelle ist, die zwischen 30 und 100% Sauerstoff enthält.