cement international 1-2004 mas burner study

8/10/2019 Cement International 1-2004 MAS Burner Study

1/1088 CEMENT INTERNATIONAL 41/2004 4VOL. 2

(Translation by Mr. H.-J. Puhl)

ZUSAMMENFASSUNG

Both the amount of primary air and the pressure and outflow

conditions at the burner tip have an essential influence on

the quality of combustion, on the limits of the flame shape

modification, on the emission level and fuel consumption

when firing a rotary kiln. For this reason, the main diffe-

rence of the various burner designs concerns the primary

air system. A rotary kiln burner that has proved a success

for ten years is the so-called M.A.S. (Mono Airduct System)

burner, which subdivides the whole primary air supplied into

12 to 15 individual jets leaving the nozzle tip tangentially and

symmetrically to the burner axis. This multijet burner has

numerous advantages compared to traditional multi-channel

burners, reaching from the possibility of a constant flame

shape adjustment via a better mixing and recirculation of

the secondary air, fuel and combustion gases up to a wide

range of control of the mixing zone length, thus being able

to contribute decisively to a reduction of the NOxemissions.

In addition to mathematical considerations concerning the

determination of the mixing zone length and a description

of the operating experience gained in ten years, essentialcriteria for the choice of a rotary kiln burner are mentioned

in the last part of the paper. Due to its multijet nozzle sys-

tem, the MAS burner will especially be suitable when a hot

and stable rotary kiln flame is required and both secondary

fuels and hard burnable coal grades such as petcoke and

anthracite are used.3

Bei der Befeuerung eines Drehofens haben sowohl die

Primrluftmenge als auch die Druck- und Ausstrmverhlt-

nisse am Brennerkopf einen wesentlichem Einfluss auf die

Qualitt der Verbrennung, auf die Grenzen der Flammenfor-

mnderung, auf Emissionshhe und Brennstoffverbrauch.

Aus diesem Grunde unterscheiden sich die verschiedenen

Brennerkonstruktionen hauptschlich in der Ausfhrung des

Primrluftsystems. Ein Drehofenbrenner, der sich seit zehn

Jahren erfolgreich im Einsatz befindet, ist der so genannte

M.A.S. (Mono Airduct System)-Brenner, der die gesamte zu-

gefhrte Primrluft in 12 bis 15 Einzelstrahlen aufteilt, die

tangential und symmetrisch zur Brennerachse aus dem D-

senkopf austreten. Dieser mehrstrahlige Brenner hat gegen-

ber traditionellen Mehrkanalbrennern zahlreiche Vorteile,

die von der Mglichkeit einer konstanten Flammenformein-

stellung ber eine bessere Vermischung und Rezirkulation

von Sekundrluft, Brennstoff und Verbrennungsgasen bis

hin zu einem groen Regelbereich der Mischzonenlnge rei-

chen und damit auch einen groen Beitrag zur Senkung der

NOx-Emissionen leisten knnen. Neben mathematischenBetrachtungen zur Bestimmung der Mischzonenlnge so-

wie den Betriebserfahrungen aus zehn Jahren, werden am

Ende des Beitrags wesentliche Kriterien zur Auswahl eines

Drehofenbrenners zusammengestellt. Aufgrund seines

mehrstrahligen Dsensystems eignet sich der MAS-Brenner

besonders dort, wo eine scharfe und stabile Drehofenflam-

me gefragt ist und der Einsatz sowohl von Sekundrbrenn-

stoffen als auch von schwer brennbaren Kohlesorten wie

Petrolkoks und Anthrazit ansteht.3

PROCE

SSING

SUMMARY

4Dipl. Ing. A. Wagner,Unitherm-Cemcon Feuerungsanlagen Gesellschaft mbH,

Vienna, Austria


2/10CEMENT INTERNATIONAL 41/2004 4VOL. 2 89

1 Introduction

Both the amount of primary air and the pressure as wellas the outflow conditions of the rotary kiln burner have anessential influence on the combustion quality, on the limits ofthe flame shape modification, on the emission level as wellas the fuel consumption during rotary kiln firing. Therefore,the main difference of the various burner designs lies in theprimary air system.

Generally, the primary air has to fulfil the following tasks ina rotary kiln firing system:

ignition of the corresponding fuel as quickly aspossible,

quick and homogeneous mixing of the secondary air withthe fuel and the burn-out gases,

complete burn out of the fuel within the burning zone, the flame shape must be controllable as far as possible, constant flame stability with different flame shape and

burner capacity, minimum emissions, good and reliable cooling of the rotary kiln burner.

For the plant operator it is also very important that the flameshape can be adjusted quickly and easily to the prevailing

process conditions and to the fuels used.

As regards the traditional dual-channel burner, the primary airis introduced into the kiln through two coaxial, ring-shapedchannels. The flame is controlled by distributing the primaryair between these two channels.

The burner concept of the Unitherm-Cemcon Feuerungs-anlagen Gesellschaft mbH, Vienna, Austria provides asubdivision of the whole primary air into jets leaving thenozzle tip tangentially and symmetrically to the burner axis.The outflow angle can be changed ranging from 10 to 40degrees by adjusting flexible hoses.

Until 1992 the dual-channel burner was produced fromUNITHERM-CEMCOM (Fig. 1). The above described newrotary kiln burner called M.A.S. (Mono Airduct System) wasdeveloped in 1991 and commissioned in 1993. Fig. 2 showsthis burner patented under EP 0642645. Some conclusionsbased on the ten years of operating experience gained withthis burner are drawn hereinafter.

1 Einleitung

Bei der Drehofenfeuerung haben sowohl die Primrluft-menge als auch der Druck und die Ausstrmungsverhlt-nisse am Drehofenbrenner einen wesentlichem Einfluss aufdie Verbrennungsqualitt, auf die Grenzen der Flammenfor-mnderung, auf die Emissionshhe sowie auf den Brenn-stoffverbrauch. Aus diesem Grund unterscheiden sich dieverschiedenen Brennerkonstruktionen hauptschlich in derAusfhrung des Primrluftsystems.

Prinzipiell hat die Primrluft bei einer Drehofenfeuerung fol-gende Aufgaben zu erfllen:

schnellstmgliche Zndung des jeweiligen Brennstoffs, rasche und gleichmige Vermischung der Sekundrluft

mit dem Brennstoff und den Ausbrandgasen, vollstndige Verbrennung des Brennstoffs innerhalb der

Sinterzone, grtmgliche Regelbarkeit der Flammenform, konstante Flammenstabilitt bei unterschiedlicher Flam-

menform und jeder Brennerleistung, minimale Emissionen, gute und zuverlssige Khlung des Drehofenbrenners.

Fr den Anlagenfahrer ist es des Weiteren von entscheiden-

der Bedeutung, dass die Flammenform schnell und einfachden jeweiligen Prozessbedingungen und den verwendetenBrennstoffen angepasst werden kann.

Beim traditionellen Doppel-Kanalbrenner wird die Primrluftdurch zwei koaxiale, ringfrmige Kanle in den Ofen einge-bracht. Die Flammenkontrolle erfolgt dabei durch Aufteilungder Primrluft zwischen diesen zwei Kanlen.

Bei dem durch die Unitherm-Cemcon FeuerungsanlagenGesellschaft mbH, Wien, sterreich, vertretenen Brenner-konzept wird die gesamte Primrluft in Strahlen aufgeteilt,die tangential und symmetrisch zur Brennerachse aus dem

Dsenkopf austreten. Den Ausstrmwinkel kann man mit-tels Verstellung flexibler Schluche im Bereich von 10 bis40 Grad ndern.

Bis zum Jahr 1992 wurde der Doppelkanalbrenner auch vonder Firma UNITHERM-CEMCON produziert ( Bild 1). ImJahre 1991 wurde ein neuer Drehofenbrenner mit der Pro-duktbezeichnung M.A.S. (Mono Airduct System) entwickelt,der vorstehend beschrieben wurde und 1993 erstmalig inBetrieb ging. Dieser Brenner, dem das Patent EP 0642645zugrunde liegt, ist auf Bild 2 dargestellt. Im Folgenden wirdber einige Schlussfolgerungen aus den nunmehr zehnjhri-gen Betriebserfahrungen mit diesem Brenner berichtet.

Aerodynamic features of a rotary kiln burner withmultijet outflow of the primary airAerodynamische Besonderheiten eines Drehofenbrenners mit

mehrstrahliger Ausstrmung der Primrluft

PROCESSING


3/1090

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2 Length of the mixing zone

It is well known that a rotary kiln flame consists of a mixingand burn-out zone. Generally the burner can strong controlonly the processes in the mixing zone, but it is not possibleto control exactly the burn-out zone far more inside therotary kiln.

The mixing zone is that area where the suction of thestoichiometric amount of air is completed by the supply ofprimary air. Thus, the length of the mixing zone depends on

the momentum of primary air (neglecting the momentum offuel) and on the burner design. According to the momentumconservation law

, with (1)

momentum of primary air [N] mass flow of primary air [kg/s] outflow velocity of primary air [m/s].

The larger the momentum of primary air, the shorter, fiercerand stabler the flame pattern is formed in the ki ln. Therefore,the specific momentum flow of primary air is an important

parameter to evaluate a rotary kiln burner. The specificmomentum of primary air is calculated according to

(2)

where

specific momentum of primary air [N/MW] burner capacity [MW].

The way the primary air leaves the burner also has a verystrong influence on the formation of the mixing zone. Themass flow of an air jet after leaving a nozzle can be calculated

according to the following equation:

(3)

2 Betrachtungen zur Lnge der Mischzone

Es ist hinreichend bekannt, dass eine Drehofenflamme auseiner Misch- und einer Ausbrandzone besteht. Whrend imAllgemeinen nur die Vorgnge in der Mischzone durch denBrenner kontrolliert werden knnen, entzieht sich die wei-ter in den Drehofen verlagerte Ausbrandzone einer genau-en Kontrolle.

Unter der Mischzone versteht man den Bereich, in demdas Ansaugen der stchiometrischen Luftmenge durch

die Primrluftzufuhr als abgeschlossen bezeichnen werdenkann. Damit ist die Lnge der Mischzone vom Primrluftim-pulsstrom (unter Vernachlssigung des Brennstoffimpuls-stroms) und von der Brennerkonstruktion abhngig. Nachdem Impulssatz ist

, mit (1)

Primrluftimpuls [N] Primrluftmassenstrom [kg/s] Primrluft-Austrittsgeschwindigkeit [m/s].

Je grer der Primrluftimpulsstrom, desto krzer, schrfer

und stabiler bildet sich die Flamme im Ofen aus. Deswegenist der spezifische Primrluftimpulsstrom ein wichtiger Para-meter zur Beurteilung eines Drehofenbrenners. Der spezifi-sche Primrluftimpulsstrom berechnet sich nach

. (2)

Darin bedeuten:

spezifischer Primrluftimpuls [N/MW] Brennerleistung [MW].

Auch die Art und Weise, wie die Primrluft aus dem Brenner

ausstrmt, hat einen sehr groen Einfluss auf die Ausbildungder Mischzone. Der bewegte Massenstrom in Gestalt einesLuftstrahls nach dem Austritt aus einer Dse kann nach fol-gender Gleichung berechnet werden:

CEMENT INTERNATIONAL 41/2004 4VOL. 2

Figure 1: Dual channel rotary kiln brenner produced by Unitherm-Cemcon

Bild 1: Doppelkanalbrenner von Unitherm-Cemcon

Primary air

Axial air

Swirl air



PROCESSING

where

Mp,amass flow of primary air [kg]

Ms,amass flow of secondary air [kg]m mixing coefficient (0.14 to 0.17)Xl distance to the burner nozzle [m]De nozzle diameter [m]Ts,a secondary air temperature [K]Tp,a primary air temperature [K].

Based on a portion of primary air of 8 % of the stoichiometricrequirement of air, a primary air temperature of 293 K (20 C),a secondary air temperature of 1 273 K (1 000 C) and a mixingcoefficient of 0.16, the length of the mixing zone amountsto:

(4)

The above equations may also be applied to a multi-channelburner with coaxial primary air jets because of the latterturn into a normal cylindrical jet after some distance fromthe outflow nozzle as numerous investigations have shown( Fig. 3). For this reason, an equivalent nozzle diameter witha fictitious starting point of the jet is taken for the mathema-tical description of the coaxial jets. Thus it is possible to applythe equations of the free jets theory also to the coaxial jetsof the dual-channel burner after a certain distance from theoutflow nozzle.

This fictitious starting point of the jet is -4Dewith a purelycoaxial jet. Consequently, the length of the mixing zone of adual-channel burner is calculated as follows:

(5)

With a multijet burner like the M.A.S. burner, this one jetshould be imagined as subdivided into 12 or 15 individual jets.The above equation can also be used for its mathematicaldescription. The diameters of the individual jets arecalculated as follows:

(6)

where n indicates the jets number in a multijet burner.

The following equation results for the mixing zone length ofa multijet burner with 12 primary air jets:

. (3)

Darin bedeuten:

Mp,aPrimrluftmassenstrom [kg/s]Ms,aSekundrluftmassenstrom [kg/s]m Mischzahl (0,14 bis 0,17)

Xl Entfernung von der Brennerdse [m]De Dsendurchmesser [m]

s,a Sekundrlufttemperatur [K]

p,a Primrlufttemperatur [K].

Ausgehend von einem Primrluftanteil von 8 % des stchi-ometrischen Luftbedarfs, einer Primrlufttemperatur von293 K (20 C), einer Sekundrlufttemperatur von 1 273 K(1 000 C) und einer Mischzahl von 0,16 ergibt sich eineMischzonenlnge von:

(4)

Die vorstehend genannten Gleichungen sind auch auf einenMehrkanalbrenner mit koaxialen Primrluftstrahlen anwend-bar, da diese gem zahlreicher Untersuchungen nach eini-ger Entfernung von der Ausstrmdse in einen normalenzylindrischen Strahl bergehen ( Bild 3). Deswegen wirdzur mathematische Beschreibung der koaxialen Strahlen einquivalenter Dsendurchmesser unter Einfhrung eines fik-tiven Strahlenanfangspunkts verwendet. Dadurch gelingt es,die Gleichungen der Rundstrahltheorie auch auf die koaxialenStrahlen des Doppelkanalbrenners nach einer entsprechen-den Entfernung von der Ausstrmdse anzuwenden.

Bei einem rein koaxialen Strahl betrgt dieser fiktive Strah-

lenanfangspunkt -4De. Damit berechnet sich die Mischzo-nenlnge eines Doppelkanalbrenners zu:

(5)

Bei einem mehrstrahligen Brenner wie dem M.A.S.-Brennerdenkt man sich diesen einen Strahl auf 12 bzw. 15 Einzel-strahlen aufgeteilt. Fr seine mathematische Beschreibungknnen ebenfalls die vorstehende Gleichung verwendenwerden. Die Durchmesser der einzelnen Strahlen berech-nen sich nach:

(6)

wobei n die Strahlenanzahl in einem mehrstrahligen Bren-ner angibt.

Damit erhlt man fr die Mischzonenlnge eines Mehrstrahl-brenners mit 12 Primrluftstrahlen:

(7)

Aus diesen Betrachtungen lsst sich leicht ersehen, dass einen gleichen Primrluftimpulsstrom vorausgesetzt beieinem Mehrstrahlbrenner die Mischzone etwa zwei Drit-

tel krzer ist als jene eines traditionellen Brenners mit zweikoaxialen Luftkanlen. Um diesen aerodynamische Nachteilzu kompensieren, wird bei einem Doppelkanalbrenner einwesentlich hherer Impuls bentigt, was nur durch Erhhungder Primrluftausstrmgeschwindigkeit erreicht wird. Das

Figure 2: Sectional drawing of an M.A.S. burner

Bild 2: Schnittzeichnung eines M.A.S.-Brenners

5

4

3

1 62

1 Outer tube

2 Nozzle ring

3 Air nozzle

4 Oil lance

5 Ignition burner

6 Flexible Air tube



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(7)

Based on these reflections it can easily be understood thatthe mixing zone of a multijet burner is about two thirdsshorter than that of a traditional burner with two coaxial airchannels, provided that the momentum of primary air streamis the same. In order to compensate this aerodynamicdisadvantage, an essentially higher momentum is neededfor a dual-channel burner which can only be achieved by anincreased outflow velocity of the primary air. It means that

a primary air fan with a higher pressure increase between400 and 600 mbar must be installed to obtain a combustionintensity that can be compared the M.A.S. burner with thesame amount of primary air.

The operating experience with t M.A.S. burners has alsoshown that it is sufficient to install a primary air fan withpressure increase of 150 to 180 mbar for common coalgrades and of 200 to 250 mbar for hard combustible fuels.The installation of a burner, type M.A.S./6/KO.SO.X in theSwiss Siggenthal cement works of the Holcim group is anexample for this. Due to the installation of an M.A.S. burnerthe amount of sewage sludge burnt could be increased from

2 500 kg/h to 4 000 kg/h in this cement factory having a kilnline with a clinker throughput of 1 800 t/d. The primary airsupply system of the existing burner had been equipped witha primary air fan having a pressure increase of 150 mbar and,additionally, with a compressor having a pressure increaseof 800 mbar. A primary air fan with a pressure increase of250 mbar was installed for the M.A.S. burner.

Due to its multijet nozzle system the M.A.S. burner providesespecially good results where a hot and stable flame isrequired, i.e. during the combustion of secondary fuelsand slow ignitable or hard combustible coal grades suchas petcoke or anthracite. For example the rotary kiln burner

type M.A.S./5/KO.EG.SO.X in the cement plant Beocin ofthe Lafarge group has accomplished the properly burningof petcoke and anthracite with only 650 secondary airtemperature!

bedeutet, dass ein Primrluftventilator mit einer grerenDruckerhhung zwischen 400 und 600 mbar installiert wer-den muss, um bei gleicher Primrluftmenge eine mit demM.A.S.-Brenner vergleichbare Verbrennungsintensitt zuerreichen.

Auch die Betriebserfahrungen mit dem M.A.S.-Brenner ha-ben besttigt, dass die Installation eines Primrluftventilatorsmit einem Frderdruck von 150 bis 180 mbar fr normale

Kohlesorten und einem Frderdruck von 200 bis 250 mbar frschwerbrennbare Brennstoffe ausreichend ist. Als Beispieldafr steht die Installation eines Brenners M.A.S./6/KO. SO.Xim schweizerischen Zementwerk Siggenthal, das zur HolcimGruppe gehrt. In diesem Zementwerk, das ber eine Ofen-linie mit einem Klinkerdurchsatz von 1 800 t/d verfgt, konntemit dem Einsatz eines M.A.S.-Brenners die verfeuerte Klr-schlammmenge von 2 500 kg/h auf 4 000 kg/h erhht werden.Die Primrluftversorgung des vorhandenen Brenners war miteinem Primrluftventilator mit einer Druckerhhung von150 mbar fr Drallluft (koaxiale Ausstrmung) und zustzlichmit einem Kompressor mit einer Druckerhhung von 800 mbarfr Axialluft (mehrstrahlige Ausstrmung) veresetzen

gewesen. Fr den M.A.S.-Brenner wurde ein Primrluftven-tilator mit einer Druckerhhung von nur 250 mbar installiert.

Aufgrund des mehrstrahligen Dsensystems liefert derM.A.S.-Brenner besonders gute Ergebnisse dort, wo einescharfe und stabile Flamme gefragt ist, d.h. bei der Ver-brennung von Sekundrbrennstoffen und schwer brennba-ren Kohlesorten wie Petrolkoks oder Anthrazit. Zum Beispielim Zementwerk Beocin/Lafarge mit dem Brenner M.A.S./5/KO.EG.SO wurde eine problemlose Verbrennung von Petrol-koks und Anthrazit bei nur ca. 650 C Sekundrlufttempera-tur realisiert.

3 Einstellung der Flammenform

Um die Flammenform bzw. die Verteilung der Wrmeabga-be entlang der Sinterzone zu ndern, muss die Mischzonekontrolliert werden knnen. Aus diesem Grund ist im inne-ren Luftkanal des Doppelkanalbrenners ein Wirbler einge-baut. Dieser Wirbler versetzt die innere Primrluftstrahl inRotation (Drallluft), whrend die uere Primrluftstrahl drall-frei zur Brennerspitze gelangt (Axialluft). Die nderung derFlammenform wird durch Vermischung dieser beiden koaxi-alen Strahlen (Drallluft/Axialluft) erreicht. Dabei bewirkt dieVergrerung der Drallluftmenge eine krzere und breite-re Flamme, whrend umgekehrt durch Erhhung der Axial-

luftmenge eine schmlere und lngere Flamme erzielt wer-den kann. Durch die Primrluftaufteilung, die Verdrallung unddie nachfolgende Vermischung geht ein nicht zu vernach-lssigender Teil des Primrluftimpulsstroms verloren. Da-raus ergibt sich, dass der maximale, fr den installierten Pri-mrluftventilator mgliche Primrluftimpuls nur im einem beiBrennerauslegung vordefinierten Verhltnis von Drallluftmen-ge zu Axialluftmenge erreicht wird, da die beiden Brenner-kanle und der Wirbler starr ausgefhrt sind.

Dabei betrgt unter Bercksichtigung einer notwendigenKhlung des jeweiligen Kanals die minimale/maximaledurchstrmte Luftmenge durch jeden Kanal ca. 25/75 % der

gesamten Primrluftmenge. Durch die Vermischung dieserbeiden Luftstrme bildet sich eine resultierende Strmungmit unterschiedlicher Drallintensitt. Diese Drallintensittkann mit Hilfe der Drallzahl definiert werden. Fr einen Dre-hofenbrenner berechnet sich die Drallzahl nach:

Figure 3: Velocity distribution of the primary air flowing out as a functionof the distance to the burner tip of a multi-channel burner

Bild 3: Geschwindigkeitsverteilung der ausstrmenden Primrluft beieinem Mehrkanalbrenner in Abhngigkeit von der Entfernungzum Brennerkopf

0 0 0 0 0

0 5 10 15 20 258

4

0

4

8

Velocity distribution

Distance from burner head

Bu

rnerhead

Primary air

Primary air

Burner axis



PROCESSING

3 Flame shape adjustment

The length of the mixing zone should to be adjustable tochange the flame shape or the distribution of heat outputalong the burning zone. For this reason, a swirler is installedin the internal air duct of the dual-channel burner. This swirlersets the internal primary air stream into rotation (swirl air)while the outer primary air is passed to the burner tip withoutany swirl (axial air). The flame shape is changed by mixingthese two coaxial jets (swirl air/axial air). Increasing theamount of swirl air leads to a shorter and wider flame, while,vice versa, a narrower and longer flame can be achieved by

increasing the amount of axial air. A considerable portion ofthe primary air momentum gets lost due to the primary airsplitting, twisting and the following mixing. Consequently,the maximum possible momentum of primary air can beachieved only for one burner design point in certain ratio ofradial air to axial air because both burner channels as wellas the swirler are made fixed.

Taking into account the necessary cooling of the cor-responding channel, the minimum/maximum amount of air

. (8)

Darin bedeuten:

Sn Drallzahl

tan Impuls der Drallluft in tangentialer Richtung

ax Impuls der Drallluft in axialer Richtung

Re,tan qivalenter Radius des Drallluftkanals

Re,ax qivalenter Radius des Axialluftkanals.

Die Drallzahl fr einen Doppelkanalbrenner kann blicherwei-se zwischen 0,1 und 0,5 eingestellt werden. Durch die Ver-drallung des Primrluftstroms ergibt sich eine Verkrzung derMischzone im Verhltnis

, (9)

wobei der Index d fr den resultierenden Drallstrahl steht.

Figure 5: Gas recirculation of a coaxial jet with 1.57 swirl coefficient

Bild 5: Veranschaulichung der Gasrezirkulation bei einem Koaxi-albrenner

0 10 20 30 40 50 60 70

Primary air

40

30

20

10

0

10

20

30Burnerhead

Swirlnumber = 1.57

Figure 4: Stream lines of the coaxial primary air jet depending on thedistance to the burner tip

Bild 4: Stromlinien des koaxialen Primrluftstrahls in Abhngigkeit vonder Entfernung zum Brennerkopf

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

B

urnerhead

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Primary air

Figure 6: Axial velocity profiles of the primary air flowing out as a result of a CDF modelling with an M.A.S. burner (left) and a dual channel burner(right)

Bild 6: Axiale Geschwindigkeitsprofile der ausstrmenden Primrluft als Ergebnis einer CDF-Modellierung an M.A.S.-Brenner (links) und Doppelka-nalbrenner (rechts)

M.A.S.-Burner Two channel burner

70.0

59.0

56.0

49.0

42.0

35.0

26.0

21.0

14.0

7.0

0.0



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flowing through each channel amounts to approx. 25/75 % ofthe whole amount of primary air. Mixing of the these two airflows results in a flow of different swirl intensity. This swirlintensity can be defined by means of the swirl coefficient.The swirl coefficient of the rotary kiln burner is calculatedas follows:

(8)

where

Sn swirl coefficient

tan momentum of swirl air in tangential direction

ax momentum of swirl air in axial directionRe,tan equivalent radius of the swirl air ductRe,ax equivalent radius of the axial air duct.

The swirl coefficient for a dual-channel burner can beadjusted usually between 0.1 and 0.5. Setting the primaryair flow into rotation results in a shortened mixing zone inthe following ratio:

(9)

in which the index d stands for the resulting swirl jet.

If the minimum and maximum swirl coefficient of a dual-channel burner is calculated, the following results wouldbe given:

and and (10)

It means the control range of the mixing zone length bydistributing all the primary air between the swirl air duct and

the axial air duct is approx. 1:1.3.

The M.A.S. burner outflow system creates the primary airswirl flow at a certain distance from the nozzle tip where thesingle jets unite to a uniform flow pattern. Fig. 7 showsthe development of the primary air jets along the kiln axiswith three different outflow angles in tangential direction.The outflow angles of 10 and 40 degrees approximatelycorrespond to the minimum and maximum setting anglesof an M.A.S. burner. Figure 7 also shows that the primary airjets unite at an angle of 10 degrees after a certain distancefrom the nozzle tip; however, the individual jets are main-tained with a maximum outflow angle of 40 degrees. The

flow pattern of 10 degrees outflow angles is similar to that ofa dual channel burner after the union of the individual primaryair jets. In case of 40 degrees outflow angles the individualprimary air jets are maintained and the length of the mixingzone will be about two thirds shorter than that of a dualchannel burner. This results in a control range for the mixingzone length of 1 : 3 compared to the dual-channel burner.

The large control range of the mixing zone length is especiallyimportant if there are problems concerning the formation ofrings of coating at the beginning or the end of the burningzone. Examples where these problem occur are the Leimencement works of HeidelbergCement AG as well as the

Austrian Wietersdorfer & Peggau Zement works. Due tothe installation of M.A.S. burners, the formation of rings ofcoating could be successfully counteracted in these cementfactories by regularly changing the length of the mixing zonei.e. shifting the burning zone.

Berechnet man die minimale und maximale Drallzahl freinen Doppelkanalbrenner, dann erhlt man folgende Re-chenwerte:

und und (10)

So betrgt der Regelbereich zur Beeinflussung der Mischzo-nelnge durch Aufteilung der gesamten Primrluft auf denDrallluftkanal und den Axialluftkanal ca. 1:1,3.

Der Primrluftstrom beim M.A.S.-Brenner erhaltet eine Rota-tionsbewegung nur nach der Vereinigung aller Strahlen ineiner geschlossenen Strmung in einiger Entfernung vomDsenkopf. In Bild 7 ist die Entwicklung der Primrluftstrah-len entlang der Drehofenachse bei drei verschiedenen Strahl-ausstrmwinkeln in tangentiale Richtung dargestellt. DieAusstrmwinkel von 10 und 40 Grad entsprechen etwa denminimal und maximal mglichen Einstellwinkeln beim M.A.S.-Brenner. Aus Bild 7 ist ersichtlich, dass sich die Primrluft-strahlen bei einem Winkel von 10 Grad nach einer gewissenEntfernung vom Dsenkopf vereinigen und nach der Ver-einigung der einzelnen Primrluftstrahlen hnelt das Str-

mungsbild die eines Doppelkanalbrenners. Bei einem Aus-strmwinkel von 40 Grad bleiben die einzelnen Strahlen hin-gegen erhalten, d.h. die Mischzone wird etwa zwei Drittelkrzer als jene eines Doppelkanalbrenners. Daraus ergibtsich im Vergleich zum Doppelkanalbrenner ein Regelbe-reich fr die Mischzonenlnge von 1:3.

Der groe Regelbereich der Mischzonelnge ist dort beson-ders wichtig, wo Probleme mit der Ansatzringbildung amAnfang oder Ende der Sinterzone auftreten. Fr Zement-standorte mit diesen Problemen steht das ZementwerkLeimen der HeidelbergCement AG ebenso wie das ster-reichische Zementwerk Wietersdorfer & Peggau Zement.

In diesen Zementwerken konnte durch die Installation vonM.A.S.-Brennern der Ansatzringbildung erfolgreich entge-genwirkt werden, was durch die regelmige nderungder Mischzonenlnge bzw. Verschiebung der Sinterzoneerreicht wird.

4 Stabilitt der Flamme

Wie bereits bekannt, bildet sich in einem Drehofen relativzur Flamme eine innere und eine uere Rezirkulationszo-ne aus. Dabei hat die Erfahrung aus verschiedenen Instal-lationen gezeigt, dass die innere Rezirkulationszone fr dieFlammenstabilitt und schnelle Zndung des Brennstoffs

eine entscheidende Bedeutung hat. Dort erfolgt infolge derRezirkulation heier Gase und bei dem Vorhandensein vongengend Sauerstoff die Zndung des jeweilig eingesetz-ten Brennstoffs. Diese Zone entsteht nach der Brenner-dse durch die Bildung eines Unterdruckbereichs infolgeUmwandlung der kinetischen Energie des Primrluftstrahlsin statische Energie. Beispielhaft sind in Bild 4 die Strom-linien eines koaxialen Strahls dargestellt. Ist diese Zone nichtausreichend ausgebildet, zu kalt oder ist das Sauerstoffan-gebot unzureichend, dann entfernt sich der Brennstoffznd-punkt von der Brennerdse. Daraus folgt ein Rckgang derFlammenstabilitt und ein Anstieg der Abgastemperatur amOfeneinlauf.

Wie zahlreiche Untersuchungen gezeigt haben, fllt die inne-re Rezirkulationszone bei koaxialen Strahlen relativ klein aus.Eine Ursache fr dieses Verhalten besteht darin, dass koaxi-ale Strahlen sich sozusagen in der Mitte selbst einzusaugen



PROCESSING

4 Flame stability

It is known that an inner and outer recirculation zone isformed in a rotary kiln relatively to the flame. The experiencein various installations has shown that the inner recirculationzone has a decisive importance for the flame stability andquick ignition of the fuel. The ignition of the fuel takes placein this zone due to the recirculation of hot gases providedoxygen content is sufficient. This zone comes into being

behind the burner nozzle due to the formation of a lowpressure region caused by the conversion of the kineticenergy of the primary air jet into static energy. The streamlines during the outflow of a coaxial jet are shown as anexample in Fig. 4 and Fig. 5. Consequently, if this zonehas not been formed sufficiently, or it is too cold or thereis not sufficient oxygen available, the ignition point of thefuel will move from the burner nozzle, which will finally leadto a reduced flame stability and an increased exhaust gastemperature at the kiln inlet.

A lot of studies have shown that the inner recirculation zonewill be relatively small in case of coaxial jets. One reason

for this behaviour is that coaxial jet try to suck in itself inthe centre (see Fig. 4), and thus the major portion of the jetmomentum is used for braking and reversing the jet itself.

According to Fig. 4, the mass flow of recirculating gas withinthe coaxial jet only amounts to 4 % of the total mass flow. Ifthe coaxial jet is set into rotation, both the inner recirculationzone and the amount of secondary air drawn in fromoutside are increased. However, the increase of the innerrecirculation zone is very poor. Fig. 5 shows that the massflow of the recirculating gas within the coaxial jet amountsto 12 % only with a swirl coefficient of 1.57. Consequently,also the size of the inner recirculation zone and the flame

stability will be changed with any change of the flame shapedue to a distribution of the primary air into swirl air and axialair, i.e. by changing the swirl coefficient. This may lead toan instable flame with some flame shapes, which will affectthe combustion quality. Furthermore, the figures 4 and 5show that the cold jet of primary air surrounds the innerrecirculation zone separating it from the hot secondary air,which will lead to a delayed ignition of the fuel.

The primary air outflow split into individual jets has an effecton the formation of the inner recirculation zone, in particularnear the nozzle tip, if an M.A.S. burner compared with aburner having coaxial primary air jets. On the one hand,

the secondary air can penetrate into the inner recirculationzone between the primary air jets and, on the other hand,the primary air leaves the nozzle tip without being set intorotation, since each individual jet of primary air does not haveany portion of tangential velocity towards its own axis. Themomentum of the primary air jets is completely used tomix the secondary air with the fuel and burn-out gases aswell as to recycle this mix into the inner recirculation zone.Consequently, the inner recirculation zone of a multijet burneris essentially larger and hotter than that of a dual channelburner.

Figure 6 shows the results of a CFD modelling carried out

by Kiln Flame Systems (KFS). The investigations refer to adual-channel burner and an M.A.S. burner with equal flowamounts of primary air and equal pressure. This figure clearlyshows that the inner recirculation zone of the M.A.S. burneris essentially larger. Since the injection effect of the jets

versuchen und damit der grte Teil des Primrluftimpulsesfr das Bremsen und die Umkehrung der eigenen Strmungverbraucht wird.

Gem Bild 4 betrgt die rezirkulierende Gasmenge inner-halb des koaxialen Strahls nur 4 % der gesamten aus der

Dse strmenden Menge. Bei der Verdrallung des koaxi-alen Strahls vergrert sich sowohl die innere Rezirkulati-onszone als auch die von auen angesaugte Sekundrluft-menge. Die Vergrerung der inneren Rezirkulationszoneist allerdings sehr gering. Auf Bild 5 ist zu sehen, dass beieiner Drallzahl von 1,57 die rezirkulierende Gasmenge inner-halb des koaxialen Strahls nur 12 % betrgt. Das bedeutet,dass bei jeder Flammenformnderung durch die Aufteilungder Primrluft in Drallluft- und Axialluft (d.h. durch nderungder Drallzahl) auch die Gre der inneren Rezirkulationszoneund dementsprechend die Flammenstabilitt verndert wird.Dadurch kann bei einigen Flammenformen die Flamme insta-bil werden, was sich negativ auf die Verbrennungsqualitt

auswirkt. Des Weiteren erkennt man aus den Bildern 4 und5, dass der kalte Primrluftstrahl die innere Rezirkulations-zone umschliet und von der heien Sekundrluft ausgrenzt,wodurch die Zndung des Brennstoffs verzgert wird.

Die Ausstrmung der Primrluft in Form einzelner Strah-len wirkt sich beim M.A.S.-Brenner im Gegensatz zu einemBrenner mit koaxialen Primerluftstrahlen besonders in derNhe des Dsenkopfs auf die Ausbildung der inneren Rezir-kulationszone aus. Einerseits kann die Sekundrluft zwischenden Primrluftstrahlen in die innere Rezirkulationszone ein-dringen, andererseits strmt die Primrluft unverdrallt ausdem Dsenkopf, da jeder einzelne Primrluftstrahl gegen-

ber seiner eigenen Achse keinen Tangentialgeschwindig-keitsanteil besitzt. Der Impuls der Primrluftstrahlen wirddabei vollstndig zur Durchmischung der Sekundrluft mitdem Brennstoff und den Ausbrandgasen sowie zur Rck-strmung dieses Gemischs in die innere Rezirkulationszo-ne genutzt. Daraus folgt, dass die innere Rezirkulationszoneeines Mehrstrahlbrenners im Vergleich mit einem Doppelka-nalbrenner wesentlich grer und heier ist.

Bild 6 zeigt die Ergebnisse einer CFD-Modellierung, dievon der Kiln Flame Systems (KFS), durchgefhrt wurde.Die Untersuchungen betreffen einen Doppelkanalbrennerund einen M.A.S.-Brenner mit gleichen Primrluftmengen

und gleichem Primrluftdruck. Aus diesem Bild ist deutlichersichtlich, dass die innere Rezirkulationszone des M.A.S.-Brenner wesentlich grer ausgebildet ist. Da die Injektions-wirkung der Strahlen in der Nhe des Dsenkopfs von derenAusstrmwinkel unabhngig ist, bleibt die innere Rezirkula-

Figure 7: Development of primary air jets of an M.A.S. burner along theburner axis, shown for three different outflow angles in tangen-

tial direction

Bild 7: Entwicklung der Primrluftstrahlen eines M.A.S-Brenners inAbhngigkeit von der Drehofenachse, dargestellt fr drei ver-schiedene Strahlenausstrmwinkel in tangentiale Richtung

100 200 400 800 mm

100 200 400 800 mm

100 200 400 800 mm

Distance from nozzles:

1 10

5 25

9 40

Scole Position

Nozzle deflection



PROCE

SSING

Table 1: Comparison between a multi-jet burner (M.A.S. burner) and a dual-channel burner

Tabelle 1: Vergleich zwischen einem mehrstrahligen Brenner (M.A.S.-Brenner) und einem Doppelkanalbrenner

Multi-jet burner Dual channel burner

Outflow of the primary air is divided in 12 to 15 individual air jets Outflow of the primary air via two coaxial channels (axial/radial air)

Primary air impulse remains always constant at different flame shapes

and at the point of design

Primary air impulse reduces with different flame shapes compared to

point of design

Internal recirculation zone: mixture and recirculation of the

hot secondary air, fuel and exhaust gases

Internal recirculation zone: mixture and recirculation of the

primary air, fuel and exhaust gases

The size of the inner recirculation zone remains constant at different

flame shape settings

The size of the inner recirculation zone varies with different flame shapes

settings

Primary air flow at the nozzle area is swirl free Primary air flow at the nozzle area has a certain swirl

Flame setting is achieved via different deflection angles of the air jets.

Control range of the mixing zone length is approx. 1:3. Thus it is possible

to adjust a very sharp, hot flame

Flame setting is achieved via changing of the swirl number of the primary

air. Control range of the mixing zone length is approx. 1:1,5

Primary air supply: 250 mbar. primary air pressure is also sufficient for

hard burnable fuels

Primary air supply: for hard burnable fuels 400 to 600 mbar primary air

pressure is recommendable

near the nozzle tip does not depend on their outflow angle,the inner recirculation zone remains constant as well as theflame stability with any kind of flame shape.

Ten years of operating experience confirm that the M.A.S.rotary kiln burner produces an extraordinarily stable flamewith any kind of flame shape and with any kind of fuel.The Bosenberg Portland Zement works in Westphalia is anexample for this. A stable operation of the kiln with 100 %lignite firing was not possible despite the installation ofmodern kiln burners of the two well known burner suppliers.Only after installation of a burner type M.A.S./5/KO.SO.X thestable kiln operation was reached.. This success can only be

explained, both in theory and practice, by the extraordinaryflame stability of the M.A.S. burner.

5 Burner design and NOxreduction

The operating experience shows that NOxemissions can bereduced by approx. 20 to 50 % when coal or heavy fuel oil isfired and the three-channel burner (see Fig. 1) is replaced byan M.A.S. burner. This experience underlines the conclusionsdrawn after investigations in the Jimunden-based FlameResearch Institute, according to which the distance of thefuel ignition point from the nozzle tip has a decisive influenceon the NOxemissions.

The results of these investigations show that NOxemissionsis the less the nearer the fuel ignition point is to the nozzletip, i.e. the faster the fuel is ignited the lower is the portionof air in the flame root leading to a decreased maximumtemperature in the flame causing a reduction of the NOxformation. Since the ignition point of an M.A.S. burner isvirtually on the nozzle, this requirement to reduce NOxemissions is met in the best possible way.

Since not only the quantity of the momentum of primary airand the swirl coefficient are decisive for the correct selectionof a rotary kiln burner, Table 1 contains a short summary of

aerodynamic features for both primary air outflow systemsto be taken into account.3

tionszone und entsprechend auch die Flammenstabilitt beibeliebiger Flammenform konstant.

Die zehnjhrigen Betriebserfahrungen besttigen, dassder M.A.S.-Drehofenbrenner eine auergewhnlich stabileFlamme bei jeder Flammenform und mit jedem Brennstofferzeugt. Beispielhaft dafr steht das westflische Zement-werk Bosenberg Portland Zement. Ein stabiler Betrieb derdortigen Lepolofenanlage mit 100 % Braunkohlefeuerungwar trotz Einsatzes der neuesten Brenner zweier namhaf-ter Hersteller nicht mglich. Erst die Installation eines Bren-ners der Typenbezeichnung M.A.S./5/KO.SO.X. konnte einenstabilen Ofenbetrieb sicherstellen. Dieser Erfolg lsst sich in

der Theorie wie in der Praxis nur durch die auergewhnli-che Flammenstabilitt des M.A.S.-Brenners erklren.

5 Brennerkonstruktion und NOx-Reduktion

Wie Betriebserfahrungen zeigen, knnen die NOx-Emissio-nen bei der Verfeuerung von Kohle und schwerem Heizlbei Ersatz eines traditionellen Dreikanalbrenners (s. Bild 1)durch einen M.A.S.-Brenner um ca. 20 bis 50 % gesenktwerden. Diese Erfahrungen besttigten die Schlussfolge-rung aus Untersuchungen des Flammenforschungsinstitutsin Jimunden, wonach die Entfernung des Brennstoffznd-punkts vom Dsenkopf einen entscheidenden Einfluss auf

die NOx-Emissionen hat.

Gem der Ergebnisse dieser Untersuchungen sind die NOx-Emissionen umso geringer, je nher der Brennstoffzndpunktbeim Dsenkopf liegt, d.h., je schneller der Brennstoff zn-det, desto geringer ist der Luftanteil in der Flammenwurzelund dementsprechend sinkt die Maximaltemperatur in derFlamme, wodurch eine Reduzierung der NOx-Bildung bewirktwird. Da beim M.A.S.-Brenner der Zndpunkt praktisch ander Dse liegt, wird diese Bedingung zur Minderung der NOx-Emissionen bestens erfllt.

Da fr die richtige Auswahl eines Drehofenbrenners nicht nur

die Gre des Primrluftimpulsstroms und die Drallzahl ent-scheidend sind, enthlt Tabelle 1 eine kurze Zusammenfas-sung von aerodynamischen Besonderheiten, die bei Einsatzeines mehrstrahligen Brenners (M.A.S.-Brenner) und einesDoppelkanalbrenners zu beachten sind.3


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cement international 1-2004 mas burner study

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