NL1007581C2

NL1007581C2 - Ceramic burner for gases and regenerative heat generator provided with it.

Info

Publication number: NL1007581C2
Application number: NL1007581A
Authority: NL
Inventors: Johannes Cornelis Antoin Bemt; Coert Johannes Nooij
Original assignee: Hoogovens Tech Services
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-05-20
Also published as: WO1999026020A1; HUP0100067A3; HUP0100067A2; DE69802116D1; CN1126910C; PL340596A1; ZA9810588B; SK7532000A3; UA49099C2; EP1046011B1; AU735282B2; AR017186A1; EP1046011A1; AU1756899A; CN1282408A; DE69802116T2; RU2208201C2

Description

KERAMISCHE BRANDER VOOR GASSEN EN REGENERATIEVE WARMTEGENERATOR VOORZIEN DAARVANCERAMIC BURNER FOR GASES AND REGENERATIVE HEAT GENERATOR PROVIDED THEREOF

De uitvinding heeft betrekking op een keramische brander voor gassen, 5 speciaal voor gebruik in de brandschacht van een regeneratieve warmtegenerator, zoals een windverhitter voor een hoogoven, welke keramische brander voorzien is van een eerste toevoerkanaal voor een eerste verbrandingscomponent, zoals een brandbaar gas, en van een tweede toevoerkanaal voor een tweede verbrandingscomponent, zoals verbrandingslucht, waarbij het eerste toevoerkanaal 10 uitmondt in een in hoofdzaak langwerpige eerste uitstroomopening en het tweede toevoerkanaal uitmondt in tenminste één tweede uitstroomopening welke laatste(n) zich in hoofdzaak uitstrekt(ken) evenwijdig aan en stroomafwaarts van de eerste uitstroomopening, waarbij zich verder tussen het eerste toevoerkanaal en het tweede toevoerkanaal een tot de beide uitstroomopeningen doorlopende scheidingswand 15 bevindt. Tevens heeft de uitvinding betrekking op een regeneratie warmtegenerator voorzien van een dergelijke keramische brander.The invention relates to a ceramic burner for gases, especially for use in the fire shaft of a regenerative heat generator, such as a blast heater for a blast furnace, which ceramic burner is provided with a first supply channel for a first combustion component, such as a flammable gas, and of a second supply channel for a second combustion component, such as combustion air, wherein the first supply channel 10 opens into a substantially elongated first outlet opening and the second supply channel opens into at least one second outlet opening, the latter (s) extending (s) substantially parallel to and downstream of the first outflow opening, wherein a dividing wall 15 extending to the two outflow openings is further located between the first supply channel and the second supply channel. The invention also relates to a regeneration heat generator provided with such a ceramic burner.

Bij het bedrijven van een hoogoven zijn meerdere windverhitters bij deze hoogoven gegroepeerd, waardoor door het omschakelen van één windverhitter naar een andere het steeds mogelijk is om via een afvoerpoort van een opgewarmde 20 windverhitter hete lucht als reactiecomponent voor de hoogoven daaraan toe te voeren. Steeds wanneer een windverhitter dan is afgeschakeld van de hoogoven kan hij weer worden opgewarmd door met behulp van de keramische brander gas te verbranden, waarvan heet rookgas vervolgens de brandschacht en de stapelwerkschacht doorstroomt, waarbij het stapelwerk de warmte van het hete 25 rookgas opneemt en deze warmte in een volgende bedrijfsfase weer kan worden afgegeven aan via de aanvoerpoort aan de windverhitter toegevoerde lucht.When operating a blast furnace, several wind heaters are grouped with this blast furnace, so that by switching from one wind heater to another it is always possible to supply hot air as a reaction component for the blast furnace via a discharge port of a heated wind heater. Whenever a wind heater is switched off from the blast furnace it can be reheated by burning gas with the aid of the ceramic burner, from which hot flue gas then flows through the fire shaft and the stacking shaft, whereby the stacking absorbs the heat from the hot flue gas and this heat can be released again in a subsequent operating phase to air supplied to the wind heater via the supply port.

Voor de efficiency van de installatie is het van groot belang dat de aan de keramische brander toegevoerde verbrandingscomponenten zo volledig mogelijk verbranden aleer het hete rookgas de stapelwerkschacht doorstroomt. Diverse 30 constructies zijn daarvoor ontworpen voor de keramische brander. Bij de brander van het bekend gestelde type zijn uitvoeringsvormen bekend waarbij één enkel toevoerkanaal voor het brandbare gas en één enkel toevoerkanaal voor de verbrandingslucht zijn voorzien. Daarnaast zijn ook constructies bekend waarbij één kanaal voor het brandbare gas zich centraal bevindt tussen twee toevoerkanalen voor 35 de verbrandingslucht.It is very important for the efficiency of the installation that the combustion components supplied to the ceramic burner burn as completely as possible before the hot flue gas flows through the stacking shaft. Various constructions have been designed for this purpose for the ceramic burner. The known type burner has embodiments in which a single supply channel for the combustible gas and a single supply channel for the combustion air are provided. In addition, constructions are also known in which one channel for the combustible gas is centrally located between two supply channels for the combustion air.

1 0 0 7 5 8 1 -2-1 0 0 7 5 8 1 -2-

Ook zijn constructies bekend waarbij de uitstroomopening van een toevoerkanaal voor verbrandingslucht uit één enkele opening bestaat, terwijl tevens bekend is om deze uitstroomopening onder te verdelen in een rij afzonderlijke gaten. De laatstgenoemde constructie is bijvoorbeeld beschreven in het Europese 5 octrooischrift EP 0090096.Constructions are also known in which the outflow opening of a combustion air supply channel consists of a single opening, while it is also known to subdivide this outflow opening into a row of separate holes. The latter construction is described, for example, in European patent EP 0090096.

Hoewel met bekende constructies reeds aanzienlijke verbeteringen in het verbrandingsrendement zijn verkregen, is gebleken dat hierin toch nog verbetering mogelijk is. Met name is gebleken dat het van groot belang is om de ontsteking van de vlam constant zo dicht mogelijk direct boven de brander te houden. Indien deze 10 ontsteking namelijk op grotere hoogte plaatsvindt, als gevolg van een trage vermenging van de verbrandingscomponenten, bestaat de mogelijkheid dat de plaats van de verbranding sterk gaat fluctueren. Dit leidt tot pulsaties in de vlam die trillingen in de gehele installatie ten gevolge kunnen hebben.Although considerable improvements in combustion efficiency have already been obtained with known constructions, it has been found that improvement is still possible herein. In particular, it has been found to be of great importance to keep the ignition of the flame constantly as close as possible directly above the burner. Namely, if this ignition takes place at a higher height, as a result of a slow mixing of the combustion components, there is a possibility that the location of the combustion will fluctuate strongly. This leads to pulsations in the flame which can cause vibrations in the entire installation.

De uitvinding stelt zich daarom ten doel om voorzieningen te verschaffen 15 waardoor de verbranding vrijwel constant en bij voorkeur zeer direct nabij de uitstroomopeningen plaatsvindt.The object of the invention is therefore to provide provisions whereby combustion takes place almost constantly and preferably very directly near the outflow openings.

Een oplossing werd nu gevonden welke zowel toepasbaar is bij constructies met één als met twee toevoerkanalen voor de tweede verbrandingscomponent en ook voor constructies waarbij de uitstroomopening van ieder toevoerkanaal enkelvoudig 20 is danwel in afzonderlijke gaten is opgedeeld.A solution has now been found which is applicable to constructions with one and two supply channels for the second combustion component and also for constructions in which the outflow opening of each supply channel is single or divided into separate holes.

De uitvinding bestaat nu daarin dat althans één van de eerste en tweede toevoerkanalen voorzien is van middelen om tijdens bedrijf de erdoor uittredende verbrandingscomponent een werveling mee te geven die zodanig is dat vanaf, van het einde van de scheidingswand, stroomopwaarts een brandbaar mengsel van de beide 25 verbrandingscomponenten ontstaat. Gebleken is dat deze werveling op eenvoudige wijze kan worden veroorzaakt indien de genoemde middelen een nabij de uitstroomopening(en) van althans het eerste en/of het tweede toevoerkanaal aangebrachte abrupte verwijding van de dwarsdoorsnede van het betreffende kanaal omvatten. Ter plaatse van de abrupte verwijding zal de erlangs stromende 30 verbrandingscomponent in de ontstane extra ruimte gaan wervelen, welke werveling tevens de andere verbrandingscomponent meesleurt, waardoor in de werveling een brandbaar mengsel ontstaat. Dit brandbare mengsel kan direct ter plaatse ontsteken. Dit als gevolg van het feit dat in de wervel een lage stroomsnelheid aanwezig is in de 10 0 7 5 8 1 -3 -The invention now consists in that at least one of the first and second supply channels is provided with means for imparting a swirl during operation to the combustion component exiting therefrom, such that upstream from the end of the dividing wall a combustible mixture of the two 25 combustion components are created. It has been found that this swirling can be caused in a simple manner if the said means comprise an abrupt widening of the cross-section of the channel in question arranged near the outflow opening (s) of at least the first and / or the second supply channel. At the location of the abrupt widening, the combustion component flowing past it will swirl in the extra space that has been created, which swirl also entrains the other combustion component, so that a combustible mixture is created in the swirl. This flammable mixture can ignite directly on site. This is due to the fact that a low flow velocity is present in the vortex in the 10 0 7 5 8 1 -3 -

Iangsrichting van de brandschacht. Een ontstane vlam zal hierdoor niet makkelijk van de branderkop kunnen worden “weggeblazen”.Longitudinal direction of the fire shaft. It will therefore not be easy to “blow away” an ignited flame from the burner head.

Het is mogelijk om de abrupte verwijding aan te brengen rond de gehele omtrek van de betreffende uitstroomopening. Gebleken is echter dat het meeste effect 5 wordt verkregen indien de verwijding is aangebracht door de vormgeving van de scheidingswand. Hierdoor namelijk wordt in de wervel het eenvoudigst en het snelste een voldoende rijk gasmengsel gevormd.It is possible to apply the abrupt widening around the entire circumference of the respective outflow opening. However, it has been found that the most effect is obtained if the widening is made by the design of the dividing wall. This is because the easiest and fastest way to form a sufficiently rich gas mixture is in the vertebra.

Vanzelfsprekend moet de abrupte verwijding voldoende groot zijn om een voldoende werveling tot stand te brengen. Gebleken is dat goede resultaten worden 10 verkregen indien de abrupte verwijding 20 a 35 % bedraagt van de oorspronkelijke dwarsdoorsnede van het betreffende kanaal.Obviously, the abrupt dilation must be large enough to produce a sufficient vortex. It has been found that good results are obtained if the abrupt widening is 20 to 35% of the original cross section of the channel in question.

Verder is gebleken dat niet enkel de afmeting van de abrupte verwijding tot het succes van de nieuwe constructie bijdraagt, doch dat ook nog betere resultaten worden behaald als de rest van het betreffende toevoerkanaal na de abrupte 15 verwijding een bepaald verloop heeft. Daarbij is gebleken dat de beste resultaten worden verkregen indien de abrupte verwijding tot aan het einde van de scheidingswand wordt gevolgd door een geleidelijke verwijding waardoor een wervelkamer wordt gevormd. Dankzij de geleidelijke verwijding krijgt de gevormde wervelkamer voldoende inhoud om een grotere gasmassa in werveling te brengen, en 20 dus tot menging te brengen tot een brandbaar mengsel. Hierdoor wordt extra de stabiliteit van de vorming van de vlam kort boven het einde van de scheidingswand gewaarborgd.Furthermore, it has been found that not only the size of the abrupt widening contributes to the success of the new construction, but that even better results are obtained if the rest of the supply channel in question has a certain course after the abrupt widening. It has been found that the best results are obtained if the abrupt widening to the end of the dividing wall is followed by a gradual widening to form a vortex chamber. Thanks to the gradual widening, the swirl chamber formed acquires sufficient volume to swirl a larger gas mass, and thus to mix it into a flammable mixture. This additionally guarantees the stability of the formation of the flame shortly above the end of the partition.

Behalve op de beschreven keramische brander heeft de uitvinding ook betrekking op een regeneratieve warmtegenerator, zoals een windverhitter voor een 25 hoogoven welke voorzien is van een aanvoerpoort voor de aanvoer van te verwarmen gas en een afvoerpoort voor de afvoer van opgewarmd gas, omvattende een brandschacht en een stapelwerkschacht waarbij voor het opwarmen van de warmtegenerator de brandschacht voorzien is van een keramische brander en waarbij deze keramische brander van het type is als hierboven is beschreven.In addition to the described ceramic burner, the invention also relates to a regenerative heat generator, such as a blast heater for a blast furnace, which is provided with a supply port for the supply of gas to be heated and a discharge port for the discharge of heated gas, comprising a fire shaft and a stacking shaft in which the fire shaft is provided with a ceramic burner for heating the heat generator and wherein this ceramic burner is of the type described above.

30 De uitvinding wordt vervolgens toegelicht aan de hand van een drietal figuren.The invention will now be elucidated on the basis of three figures.

Fig. 1 toont als voorbeeld van een regeneratieve warmtegenerator een windverhitter voor een hoogoven.Fig. 1 shows, as an example of a regenerative heat generator, a blast furnace heater.

Fig. 2 toont op vergrote schaal een detail II uit Fig. 1.Fig. 2 is an enlarged detail II from FIG. 1.

1 0 0 7 5 81 -4-1 0 0 7 5 81 -4-

Fig. 3 toont een andere uitvoeringsvorm van dit detail.Fig. 3 shows another embodiment of this detail.

In Fig. 1 is met verwijzingscijfer 1 een warmtegenerator in de vorm van een windverhitter voor een hoogoven aangegeven. De windverhitter omvat een brandschacht 2 en een stapelwerkschacht 3 die door een tussenmuur 4 van elkaar 5 gescheiden zijn. Onderin de brandschacht is een keramische brander 5 geplaatst. Verbrandingslucht voor de keramische brander wordt aangevoerd door aansluitpoort 6 en brandstof in de vorm van een brandbaar gas door aansluitpoort 7. Het mengsel van verbrandingslucht en brandbaar gas verbrandt in brandschacht 2. De van de verbranding afkomstige rookgassen stijgen in de brandschacht 2 op, worden door de 10 koepel 8 omgeleid, doorlopen vervolgens de met stapelwerkstenen (niet getekend) gevulde stapelwerkschacht 3 en staan daar voelbare warmte af aan de stapelwerkstenen. De daardoor afgekoelde rookgassen verlaten de windverhitter door de afvoerpoorten 9, waarvan er één is aangegeven.In FIG. 1, reference numeral 1 designates a blast furnace heat generator. The wind heater comprises a fire shaft 2 and a stacking shaft 3, which are separated from each other by an intermediate wall 4. A ceramic burner 5 is placed at the bottom of the fire shaft. Combustion air for the ceramic burner is supplied through connection port 6 and fuel in the form of a flammable gas through connection port 7. The mixture of combustion air and combustible gas burns in fire shaft 2. The flue gases from combustion rise in fire shaft 2, are produced by the dome 8 is then diverted, then run through the stacking shaft 3 filled with stacking bricks (not shown), and there imparting perceptible heat to the stacking bricks. The flue gases cooled thereby leave the heater through the exhaust ports 9, one of which is indicated.

Nadat de stapelwerkstenen voldoende hoog zijn opgewarmd, wordt de 15 toevoer van brandstof en verbrandingslucht door de poorten 6 en 7 afgesloten, waarna door de afVoerpoort 9 koude lucht wordt toegevoerd. Deze koude lucht doorstroomt vervolgens het hete stapelwerk in stapelwerkschacht 3, wordt daarin opgewarmd, en verlaat vervolgens via poort 10 de windverhitter. Poort 10 is aangesloten op een verdeelsysteem voor warme lucht, de zogenaamde “hete wind” 20 ten behoeve van de toevoer naar de hoogoven.After the stacking bricks have heated up sufficiently high, the supply of fuel and combustion air is closed off through ports 6 and 7, after which cold air is supplied through discharge port 9. This cold air then flows through the hot stacking into stacking shaft 3, is heated therein, and then leaves the wind heater via port 10. Port 10 is connected to a distribution system for warm air, the so-called “hot wind” 20 for supply to the blast furnace.

Het via aansluitpoort 1 toegevoerde brandbare gas wordt naar boven toe omgeleid in het eerste toevoerkanaal 13 voor brandbaar gas, terwijl aansluitpoort 6 overgaat in het tweede toevoerkanaal 12 voor verbrandingslucht. Toevoerkanalen 12 en 13 worden van elkaar gescheiden door scheidingswand 11.The flammable gas supplied via connection port 1 is diverted upwards into the first flammable gas supply channel 13, while connection port 6 changes into the second combustion air supply channel 12. Supply channels 12 and 13 are separated from each other by dividing wall 11.

25 De configuratie rondom het boveneinde van de scheidingswand 11 is aangegeven met Π, en op vergrootte schaal in detail afgebeeld in Fig. 2. Overeenkomstige verwijzingscijfers uit Fig. 1 hebben betrekking op overeenkomstige elementen in Fig. 2. In Fig. 2 is duidelijk dat de uitstroomopening 14 van toevoerkanaal 12 hoger is geplaatst en onder een hoek staat ten opzichte van 30 uitstroomopening 15 van kanaal 13 voor het brandbare gas. Hierdoor kan de luchtstroom de gasstroom doordringen, waardoor een vermenging tot een brandbaar mengsel ontstaat.The configuration around the upper end of the dividing wall 11 is indicated by Π, and shown in an enlarged scale in detail in Figs. 2. Corresponding reference numerals from FIG. 1 relate to corresponding elements in FIG. 2. In FIG. 2 it is clear that the outflow opening 14 of supply channel 12 is positioned higher and is at an angle to the outflow opening 15 of channel 13 for the combustible gas. This allows the air flow to penetrate the gas flow, causing mixing to a flammable mixture.

1007 5 81 - 5 -1007 5 81 - 5 -

Toevoerkanaal 13 is kort beneden de uitstroomopening 15 voorzien van een abrupte verwijding 16, welke is verkregen door een plaatselijke verdunning van de scheidingswand 11. Op de abrupte verwijding 16 sluit een geleidelijke verwijding 17 aan in de richting van de uitstroomopening 15. Daardoor ontstaat tussen de abrupte 5 verwijding 16, de geleidelijke verwijding 17 en de uitstroomopening 15 een wervelkamer 18. In de wervelkamer 18 komt een deel van de gasstroom tot een intensieve wervelbeweging die zich tot kort boven de uitstroomopening 15 uitstrekt, en daardoor verbrandingslucht vanuit kanaal 12 meegzuigt. In de wervelkamer 18 ontstaat daardoor een rijk brandbaar mengsel dat een lage snelheidscomponent heeft 10 in de hoofdstroomrichting door brandschacht 2. Indien dit rijke brandbare mengsel tot ontbranding komt zal het vlamfront zeer stabiel blijven nabij het vrije uiteinde van de scheidingswand 11. Pulsaties in de vlam worden daardoor voorkomen, en bijgevolg ook trillingverschijnselen in de hele constructie. Bovendien wordt het verbrandingsrendement gunstig beïnvloed.Supply channel 13 is provided shortly below the outflow opening 15 with an abrupt widening 16, which is obtained by a local thinning of the dividing wall 11. A gradual widening 17 connects in the direction of the outflow opening 15 to the abrupt widening 15. abrupt widening 16, the gradual widening 17 and the outflow opening 15 a vortex chamber 18. In the vortex chamber 18, part of the gas flow comes into an intensive vortex movement which extends shortly above the outflow opening 15, thereby drawing in combustion air from channel 12. This creates a rich flammable mixture in the whirl chamber 18 which has a low velocity component 10 in the main flow direction through fire shaft 2. If this rich flammable mixture ignites, the flame front will remain very stable near the free end of the dividing wall 11. Pulsations in the flame are thereby prevented, and consequently also vibration phenomena in the whole construction. In addition, the combustion efficiency is favorably influenced.

15 Zoals hiervoor reeds is opgemerkt is de uitvinding niet beperkt tot deze afgebeelde constructievorm. In veel gevallen gaat de voorkeur uit naar een keramische brander waarbij twee toevoerkanalen 12* en 12b voor verbrandingslucht symetrisch zijn opgesteld ten opzichte van toevoerkanaal 13 voor het brandbare gas. Bij deze uitvoeringsvorm, als afgebeeld in figuur 3, zijn, in paats van de enkele 20 scheidingswand 11, twee scheidingswanden 1Γ en llb voorzien en zijn er twee uitstroomopeningen 14a en 14b voor de toevoerkanalen 12* en 12b.As already noted above, the invention is not limited to this illustrated construction form. In many cases, preference is given to a ceramic burner in which two combustion air supply ducts 12 * and 12b are arranged symmetrically with respect to the combustible gas supply duct 13. In this embodiment, as shown in Figure 3, in place of the single partition wall 11, two partition walls 1Γ and 11b are provided, and there are two outflow openings 14a and 14b for the feed channels 12 * and 12b.

Tevens wordt een gelijkwaardig goed effect verkregen indien de uitstroomopening(en) 14 (resp. 14* en 14b) voor verbrandingslucht is onderverdeeld in afzonderlijke poorten.An equivalent good effect is also obtained if the outflow opening (s) 14 (resp. 14 * and 14b) for combustion air is divided into separate ports.

1007 5811007 581

Claims

1. Ceramic burner for gases, especially for use in the fire shaft (2) of a regenerative heat generator, such as a wind heater (1) for a blast furnace (1), which ceramic burner is provided with a first supply channel (13) for a first combustion component, such as a flammable gas, and from a second supply channel (12) for a second combustion component, such as combustion air, the first supply channel (13) opening into a substantially elongated first outlet opening (15) and the second supply channel opening into at least one second outflow opening (14), the last (s) extending (s) parallel to and downstream of the first outflow opening, further extending between the first supply channel (13) and the second supply channel (12) to the two outflow openings (14, 15) has a continuous partition wall (11), characterized in that at least one of the first and second supply channels (12, 13) is provided with m means for imparting a vortex, during operation, to the combustion component exiting therefrom, such that a combustible mixture of the two combustion components is created upstream from the end of the dividing wall (11).

Ceramic burner according to claim 1, characterized in that the said means are provided with an abrupt widening (16) of the cross section of the cross-section of the at least the outflow opening (s) (14, 15) of at least the first and / or the second supply channel. channel concerned.

Ceramic burner according to claim 2, characterized in that the abrupt widening (16) is provided by the design of the dividing wall (11). 30

Ceramic burner according to claim 2 or 3, characterized in that the abrupt widening (16) is 20 to 35% of the original cross-section of the channel in question. 1007 5 8 1 -7-

Ceramic burner according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the abrupt widening (16) to the end of the partition (11) is followed by a gradual widening (17), thereby forming a swirl chamber 5.

6. Regenerative heat generator, such as a blast heater for a blast furnace (1), which is provided with a supply port (9) for the supply of gas to be heated and a discharge port (10) for the removal of heated gas, comprising a fire shaft (2 ) and a stacking shaft (3), wherein for heating the heat generator the fire shaft (2) is provided with a ceramic burner (5), characterized in that the ceramic burner is of the type according to any one of the preceding claims. 1007 5 81