Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gut verschiedener Art, insbesondere zum Brennen von Zement und Erdalkali#Carbonaten. Es ist bekannt, dass Ofenanlagen zum Brennen von Zement und Erdalkalimetallen durch elektrische Lichtbögen beheizt werden. Diese Ofen weisen sehr grosse Leistungen von 5000 bis 15 000 kW auf, und gemäss dex bekannten Anordnung der Wärmequelle wird diese gesamte Leistung in Ofenkopf in einen verhältnismässig kleinen Raum erzeugt. Dies bringt wesentliche Nachteile mit sich.
In folge seiner sehr hohen Temperatur gibt der elektrische Lichtbogen seine Energie zu einem sehr grossen Teil als Strahlungswärme ab. Da nun die Intensität der Strahlung auf die Ofenwand mit zunehmendem Abstand vom Ofenkopf sehr rasch abnimmt, konzen triert sich die Wärmeabgabe des Lichtbogens vorwiegend auf den dem Ofenkopf benach barten Ofenabschnitt. Dadurch wird dem durch den Ofen gegen den Ofenkopf fliessen den Gut erst in dessen Nähe im erforder lichen Mass die für die Wärmebehandlung benötigte Wärmemenge zugeführt, während es im hintern Ofenteil nur ungenügend vor gewärmt wird. Die Ofenanlage wird dadurch uiigleiehmässig ausgenützt.
Auch wird durch die starke Wärmeabstrahlung des Licht bogens das Futter des Ofenkopfes und des anschliessenden Ofenteils thermisch sehr hoch beansprucht und unterliegt dadurch einem grossen Verschleiss.
Die grosse Wärmekonzentration im Ofen kopf bedingt eine intensive Kühlung des Elektrodeos stems fair den Lichtbozen. Da- durch entstehen grosse, durch das Kühlwas ser abgeführte Wärmeverluste, die den Ofen wirkungsgrad vermindern. Auch resultiert ein verhältnismässig grosser Abbmnd des Elektradenmateriale, dessen Kosten die Wirt schaftlichkeit des Ofenbetriebes herabsetzen.
Infolge der erforderlichen spitzwinkligen Anordnung der Elektroden im Ofenkopf ist es mit erheblichen Schwierigkeiten verbun den, einen frei ins Ofeninnere hinein bren nenden, stabilen Lichtbogen mit der gefor derten Leistung zu erzeugen. In verGchiede- nen bekannten Ausführungsformen kann dies nur durch Einschalten einer genügend grossen Reaktanz in Serie mit dem Lichtbogen er reicht werden.
Dies hat jedoch eine starke Verminderung des Leistungsfaktors der elek trischen Anlage zur Folge, der nur durch eine kostspielige Kompensationsanlage verbessert werden kann.
Alle diese Faktoren, wie Verschleiss der Elektroden und des Ofenfutters, Wärmever luste im Kühlwasser, .Stabilitätsverminderung des Lichtbogens, schlechter Leistungsfaktor oder teuere Kompensationsanlage und un gleichmässige Ofenausnützung, sind für einen wirtschaftlichen Ofenbetrieb unerwünscht und sie müssen daher möglichst klein gehal ten werden.
Erfindungsgemäss lässt sich dies dadurch erreichen, dass die für die Wärme behandlung des Gutes erforderliche Wärme menge in mindestens zwei voneinander ge- trennten Wärmequellen erzeugt wird, von denen mindestens eine elektrisch ist.
Drei Ausführungsbeispiele des' Erfin dungsgegenstandes sind in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt. Wie die bekannten Ofenanlagen weisen die gezeichne ten Vorrichtungen drei Hauptteile auf, näm lich den Vorwärmer 1, in welchem das zu behandelnde Gut vorgewärmt wird, den eigentlichen Ofen 2, der meistens als Dreh ofen ausgeführt wird und in dem das aus dem Vorwärmer austretende Gut fertig be handelt, insbesondere gebrannt,
wird, und den Kühler 3, in dem das aus: dem Ofen austretende, fertig behandelte Gut abgekühlt wird. Oft werden Vorwärmer und Drehofen in ein und demselben Drehrohr vereinigt, das hinten die Vorwärmezone und vorn gegen den Ofenkopf die Brennzone umfasst. Die höchste Temperatur bei der Wärmebehand lung des Gutes wird im Drehofen 2, und zwar in Ofenkopf 4 in der Nähe des Aus- trittes des fertig behandelten Gutes benötigt.
Demzufolge wird hier die Wärmequelle an gewendet. werden müssen, die die höchste Temperatur erzeugen kann, bei elektrischem Betrieb somit der zwischen den Elektroden 5 brennende Lichtbogen, bei Brennstoffbe- trieb die Brennstoffflamme.
Gemäss vorligender Erfindung braucht nun in dieser Wärmequelle nicht die ge samte für die Wärmebehandlung des Gutes erforderliche Wärmemenge erzeugt zu wer den, sondern nur noch derjenige Anteil, der für die Erwärmung und die chemischen Vor gänge im obersten Temperaturbereich bis zur höchsten Temperatur des behandelten Gutes beim Austritt aus dem Drehofen benötigt wird.
Die restliche Wärmemenge für die Er wärmung, Trocknung und chemischen Vor gänge im untersten und mittleren Tempera turbereich wird durch eine zweite Wärme quelle geliefert. Diese kann grundsätzlich beliebiger Natur sein unter der Voraus setzung, dass sie die von ihr verlangte Lei stungsfähigkeit besitzt.
Bei Anwendung der elektrischen Wärmeerzeugung kommen fol gende drei Arten in Frage: der elektrische Lichtbogen, stromdurchflossene, elektrische Widerstände oder durch direkten Stromdurch gang beheizte Schmelzen. Die in dieser zwei ten Wärmequelle erzeugte Wärmemenge muss nun auf geeignete Weise auf das zu behandelnde Gut übertragen werden. Hierzu stehen zwei Wege offen, nämlich: Die zweite Wärmequelle befindet sich in einem Zusatz ofen, und die von ihr erzeugte Wärmemenge wird durch .einen Gasstrom auf das zu be handelnde Gut übertragen, oder die zweite Wärmequelle befindet sich direkt im Vor wärmer.
Die von ihr erzeugte Wärmemenge wird durch Strahlung und Konvektion direkt oder unter Zwischenschaltung eines die Wärme leitenden Materials auf das zu behandelnde Gut übertragen.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird der Gasstrom 6 im Kreislauf den aus dem Vorwärmer 1 austretenden Gasen ent nommen und nach seiner Erwärmung in einem Zusatzofen 7 durch die zweite Wärmequelle mit elektrischen Widerständen 8 zu einem Teil durch den Ofenkopf 4, zum andern Teil zwischen Drehofen 2 und Vor wärmer 1 wieder in die Hauptofenanlage eingeführt.
Beim Durchströmen des Drehofens und des Vorwärmers gibt der Gasstrom seine im Zusatzofen aufgenommene Wärmemenge wie der ab an das im Gegenstrom durch den Vor wärmer und Drehofen fliessende Gut, tritt derart gekühlt bei niedriger Temperatur wie der aus dem Vorwärmer aus und beginnt den Kreislauf von neuem.
Das Gut ent wickelt im Verlaufe seiner Wärmebehand lung eine bestimmte Gasmenge, die sich mit dem eingeführten Gasstrom mischt. Nach dessen Austritt muss diese entwickelte Gas menge ihm wieder entnommen und dem Ka min 9 zugeführt werden.
Um die Wärmeverluste der Ofenanlage möglichst zu reduzieren, wird vorteilhaft der Gasstrom nach dem Austritt aus. dem Vor wärmer zunächst dem Kühler 3 zugeführt, wo er dem aus dem Drehofen ausgetretenen Gut die fühlbare Wärme möglichst weit gehend entzieht und sich dabei entsprechend erwärmt und erst nach dem Austritt aus dem Kühler dem Zusatzofen 7 zugeführt wird, so dass er dem Drehofen bzw. Vor wärmer die Summe der dem abgekühlten Gut entnommenen und der im Zusatzofen erzeugten Wärmemenge zuführt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeigt Fig. 2. Der Gasstrom 6 wird der Frischluft der Umgebung entnom men, nach seiner Erwärmung im Zusatzofen 7 zwischen Drehofen 2 und Vorwärmer 1 in den Vorwärmer eingeführt und nach seinem Austritt aus dem Vorwärmer durch das Ka min 9 ins Freie geleitet.
Diese Vorrichtung wird dann von Vorteil sein, wenn der dem Ofen entnommene Gasstrom, der bei seiner Berührung mit dem feingemahlenen Gut be trächtliche Mengen Staub mitreisst, infolge seines Staubgehaltes seine Aufheizung im Zusatzofen nicht zulässt. In diesem Fall ist ,jedoch bei Beheizung des Drehofens durch einen elektrischen Lichtbogen darauf zu achten, dass der aufgeheizte Frischluftstrom nicht durch den Ofenkopf am Lichtbogen vorbei in den Drehofen eingeführt wird, da mit sich nicht das unerwünschte und ge fährliche Stickoxyd bilden kann.
Aus dem gleichen Grund kommt bei Verwendung eines Frischluftstromes der Lichtbogen als zweite Wärmequelle im Zusatzofen nicht in Frage.
Wird der Drehofen durch eine Brenn stoffflamme beheizt, so kann bei Verwendung eines Frischluftstromes dieser nach seiner Aufheizung im Zusatzofen direkt für die Verbrennung des Brennstoffes ganz oder teilweise herangezogen und daher durch den Ofenkopf eingeblasen werden.
Zweckmässig wird auch bei diesem Aus führungsbeispiel derFrischluftstromzunächst durch den Kühler 3 geleitet, um dem fertig behandelten Gut seine Wärme zu entziehen.
Ein Ausführungsbeispiel, gemäss demsich die zweite Wärmequelle direkt im Vorwär- iner befindet, ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Anordnung des Vorwärmers 1, des Drehofens 2 mit dem Ofenkopf 4 und des Kühlers 3 ist gleich wie im erstgenannten Verfahren. Jedoch fehlt der Zusatzofen 7. Dafür ist der Vorwärmer 1 selbst als Ofen ausgebildet. Er enthält einen Wanderrost 10, der das zu erwärmende Gut durch eine Ofen kammer 11 führt. Diese Ofenkammer enthält zudem eine geeignete Wärmequelle, beispiels weise stromführende elektrische Widerstände 12, welche das auf dem Wanderrost durch fliessende Material durch Strahlung und Kon vektion erwärmen. Vom Wanderrost 10 wird das vorgewärmte Gut direkt in den Dreh ofen 2 befördert.
Auch hier kann der Wärme inhalt des aus dem Drehofen anfallenden Gutes zur Vorwärmung des in den Vorwär- mer eintretenden Gasstromes auf bekannte Art herangezogen werden.
Um eine noch weitergehende Aufteilung der Wärmeerzeugung in der Ofenlage zu er reichen, besteht die Möglichkeit, das erst genannte Verfahren mit dem zweitgenannten zu kombinieren und das zu behandelnde Gut. gleichzeitig durch einen in einem Zusatzofen aufgeheizten Gasstrom und in einem direkt beheizten Vorwärmer zu erwärmen. Auch besteht die Möglichkeit, die zweite Wärmequelle durch mehrere T'eilwärmequel- len zu ersetzen, die in ihrer Gesamtheit den gleichen Zweck erfüllen wie die ersetzte ur sprüngliche Wärmequelle.
So können bei spielsweise mehrere einzelne Zusatzöfen mit gleichartiger oder verschiedenartiger Behei- zung derart angeordnet werden, dass der Gas strom in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, die ihrerseits jeder für sich in einem Zusatz ofen aufgeheizt werden und entweder mit einander vereinigt oder an verschiedenen Stel len in die Ofenanlage eingeleitet werden, oder dass ein und derselbe Gasstrom durch meh rere aufeinanderfolgende Zusatzöfen geleitet und dadurch stufenweise erwärmt wird.
Die Vorteile der beschriebenen neuen Vorrichtungen liegen in erster Linie darin, dass der im Ofenkopf angeordneten Wärme quelle infolge der Aufteilung der gesamten Wärmeerzeugung auf zwei getrennte Wärme quellen eine bedeutend kleinere Leistung zu geteilt werden kann als bei der bekannten Vorrichtung. Dadurch wird die thermische Beanspruchung des Drehofens herabgesetzt.
Bei Ausführung dieser Wärmequelle als elek trischer Lichtbogen und der zweiten Wärme quelle als elektrischer Widerstand oder elek trisch beheizte Schmelze, welche beide einen sehr guten Leistungsfaktor besitzen, kann der mittlere Leistungsfaktor der gesamten Ofenanlage gegenüber dem niedrigen Lei stungsfaktor des elektrischen Lichtbogens bedeutend verbessert werden.
Auch wird der Elektrodenabbrand durch den Lichtbogen pro total verbrauchte Kilowattstunde minde stens entsprechend dessen Leistungsvermin derung herabgesetzt; ebenso verkleinern, sich die durch das Kühlwasser abgeführten Wärmeverluste. Ebenso sind die Schwierig keiten, einen stabilen, den Anforderungen genügenden Lichtbogen zu erzeugen, um so kleiner je kleiner dessen Leistung gehalten werden kann. Da zudem sein Leistungs faktor nichtmehr dieselbe ausschlaggebende Rolle spielt, kann dieser noch herabgesetzt werden, um einen möglichst stabilen Betrieb zu erzielen.
Dadurch wird die gesamte Wärmeerzeugung betriebssicherer gestaltet.
Soll der Zusatzofen als zweite Wärme quelle einen elektrischen, @durch den Gas strom stabilisierten Lichtbogen enthalten, so kann dieser Ofen ganz unbehindert nach Ge sichtspunkten konstruiert und den Bedingun gen angepasst werden, wie sie von einer be triebssicheren Lichtbogenheizung gefordert werden. Derart lassen sich der Elektroden abbrand und die Kühlwasserverluste pro verbrauchte Kilowattstunde dieser Licht bogenheizung im Vergleich zur Lichtbogen heizung im Drehofen stark vermindern.
Zu dem besteht hier die Möglichkeit, durch be kannte Schaltungen, wie beispielsweise die Serieschaltung von zwei Lichtbögen, den Leistungsfaktor für den Zusatzofen derart zu erhöhen, dass keine weitere Kompensation mehr erforderlich ist. Daraus folgt, dass auch bei Anwendung der Lichtbogenheizung im Zusatzofen eine bedeutende Verbesserung der Betriebssicherheit und Wirtschaftlich keit der Wärmeerzeugung erzielt werden.
Device for the heat treatment of goods of various kinds, in particular for burning cement and alkaline earth carbonates. It is known that furnace systems for burning cement and alkaline earth metals are heated by electric arcs. These furnaces have very high outputs of 5000 to 15,000 kW, and according to the known arrangement of the heat source, this total output is generated in the furnace head in a relatively small space. This has significant disadvantages.
As a result of its very high temperature, the electric arc gives off a very large part of its energy as radiant heat. Since the intensity of the radiation on the furnace wall decreases very quickly with increasing distance from the furnace head, the heat dissipation of the arc concentrates mainly on the furnace section neighbors to the furnace head. As a result, the material flowing through the furnace against the furnace head is only supplied with the amount of heat required for the heat treatment in its vicinity to the required extent, while it is only insufficiently heated in the rear part of the furnace. This means that the furnace system is used to a limited extent.
Due to the strong heat radiation of the arc, the lining of the furnace head and the adjoining furnace part is also subject to very high thermal loads and is therefore subject to great wear.
The high concentration of heat in the furnace head requires intensive cooling of the electrode stem fair the light bolts. This results in large heat losses carried away by the cooling water, which reduce the furnace's efficiency. This also results in a relatively large amount of electrade material, the cost of which reduces the economic viability of the furnace.
As a result of the required acute-angled arrangement of the electrodes in the furnace head, it is verbun with considerable difficulties to generate a stable arc with the required power to burn freely into the furnace interior. In various known embodiments, this can only be achieved by switching on a sufficiently large reactance in series with the arc.
However, this has a strong reduction in the power factor of the elec trical system result, which can only be improved by an expensive compensation system.
All these factors, such as wear on the electrodes and the furnace lining, heat losses in the cooling water, reduction in the stability of the arc, poor power factor or expensive compensation system and uneven furnace utilization, are undesirable for economical furnace operation and must therefore be kept as small as possible.
According to the invention, this can be achieved in that the amount of heat required for the heat treatment of the goods is generated in at least two separate heat sources, at least one of which is electrical.
Three embodiments of the subject of the invention are shown schematically in the accompanying drawings. Like the known furnace systems, the devices have three main parts, namely the preheater 1, in which the material to be treated is preheated, the actual furnace 2, which is usually designed as a rotary furnace and in which the material exiting the preheater is finished be treated, especially fired,
is, and the cooler 3, in which the exiting from the furnace, finished treated material is cooled. Often the preheater and rotary kiln are combined in one and the same rotary kiln, which includes the preheating zone at the rear and the firing zone at the front towards the furnace head. The highest temperature during the heat treatment of the material is required in the rotary kiln 2, specifically in the furnace head 4 near the exit of the finished product.
As a result, the heat source is used here. which can generate the highest temperature, thus the arc burning between the electrodes 5 in the case of electrical operation, and the fuel flame in the case of fuel operation.
According to the present invention, this heat source does not need the entire amount of heat required for the heat treatment of the goods to be generated, but only the portion required for the heating and the chemical processes in the uppermost temperature range up to the highest temperature of the treated goods Exit from the rotary kiln is required.
The remaining amount of heat for heating, drying and chemical processes in the lowest and middle temperature range is supplied by a second heat source. In principle, this can be of any nature, provided that it has the performance required of it.
When using electrical heat generation, the following three types come into question: the electrical arc, electrical resistors through which current flows or melts heated by direct current passage. The amount of heat generated in this second heat source must now be transferred in a suitable manner to the item to be treated. There are two ways of doing this, namely: The second heat source is located in an additional oven, and the amount of heat it generates is transferred to the goods to be treated by a gas flow, or the second heat source is located directly in the preheater.
The amount of heat it generates is transferred to the item to be treated by radiation and convection either directly or with the interposition of a heat-conducting material.
In the embodiment according to FIG. 1, the gas flow 6 is circulated from the gases exiting the preheater 1 and, after being heated in an additional furnace 7 by the second heat source with electrical resistors 8, partly through the furnace head 4 and partly between the rotary kiln 2 and before warmer 1 reintroduced into the main furnace.
When flowing through the rotary kiln and the preheater, the gas stream releases the amount of heat it has absorbed in the additional furnace as well as the material flowing in countercurrent through the preheater and rotary kiln, exits the preheater as cooled at a low temperature as that of the preheater and starts the cycle again.
In the course of its heat treatment, the material develops a certain amount of gas, which mixes with the gas stream introduced. After its exit, this amount of gas developed must be removed from it again and fed to the Ka min 9.
In order to reduce the heat losses in the furnace system as much as possible, the gas flow after it exits is advantageous. The pre-warmer is first fed to the cooler 3, where it removes the sensible heat as much as possible from the goods that have emerged from the rotary kiln and is heated accordingly and is only fed to the additional furnace 7 after exiting the cooler, so that it is fed to the rotary kiln or Before warmer, the sum of the amount of heat taken from the cooled item and the amount of heat generated in the additional furnace is added.
A further embodiment of the device is shown in Fig. 2. The gas stream 6 is taken from the fresh air of the environment, introduced into the preheater after it has been heated in the additional furnace 7 between the rotary furnace 2 and preheater 1 and after it exits the preheater through the Ka min 9 ins Free headed.
This device will be of advantage when the gas stream taken from the oven, which entrains considerable amounts of dust when it comes into contact with the finely ground material, does not allow it to be heated in the additional oven due to its dust content. In this case, however, when the rotary kiln is heated by an electric arc, care must be taken that the heated stream of fresh air is not introduced into the rotary kiln through the furnace head past the arc, as undesirable and dangerous nitrogen oxide cannot form with it.
For the same reason, when using a stream of fresh air, the arc is out of the question as a second heat source in the additional furnace.
If the rotary kiln is heated by a fuel flame, when a fresh air stream is used, after it has been heated in the additional kiln, it can be used in whole or in part for the combustion of the fuel and therefore blown in through the kiln head.
In this exemplary embodiment, too, the fresh air flow is expediently first passed through the cooler 3 in order to remove its heat from the finished product.
An embodiment according to which the second heat source is located directly in the preheater is shown in FIG.
The arrangement of the preheater 1, the rotary kiln 2 with the furnace head 4 and the cooler 3 is the same as in the first-mentioned method. However, the additional furnace 7 is missing. Instead, the preheater 1 itself is designed as a furnace. It contains a traveling grate 10, which guides the material to be heated through an oven chamber 11. This furnace chamber also contains a suitable heat source, for example current-carrying electrical resistors 12, which heat the convection on the traveling grate by flowing material by radiation and Kon. From the traveling grate 10, the preheated material is conveyed directly into the rotary furnace 2.
Here, too, the heat content of the material arising from the rotary kiln can be used in a known manner to preheat the gas stream entering the preheater.
In order to achieve an even more extensive division of the heat generation in the furnace layer, it is possible to combine the first-mentioned method with the second-mentioned and the material to be treated. to be heated simultaneously by a gas stream heated in an additional furnace and in a directly heated preheater. There is also the possibility of replacing the second heat source with several partial heat sources which in their entirety fulfill the same purpose as the replaced original heat source.
For example, several individual additional ovens with the same or different types of heating can be arranged in such a way that the gas stream is divided into several partial streams, which in turn are each heated in an additional oven and either combined with one another or at different points in the furnace system can be initiated, or that one and the same gas flow is passed through several successive additional furnaces and is thereby gradually heated.
The advantages of the new devices described are primarily that the heat source arranged in the furnace head, as a result of the division of the entire heat generation into two separate heat sources, can be divided into a significantly smaller power than in the known device. This reduces the thermal stress on the rotary kiln.
When running this heat source as an electrical arc and the second heat source as an electrical resistor or electrically heated melt, both of which have a very good power factor, the average power factor of the entire furnace system can be significantly improved compared to the low performance factor of the electric arc.
The electrode burn-off caused by the arc per total kilowatt-hour consumed is at least reduced in accordance with its power reduction; also decrease, the heat losses carried away by the cooling water decrease. Likewise, the difficulties are to generate a stable arc that meets the requirements, the smaller the smaller its power can be kept. Since its performance factor no longer plays the same decisive role, it can be reduced to achieve the most stable operation possible.
This makes the entire heat generation more reliable.
If the additional furnace is to contain an electric arc stabilized by the gas flow as a second heat source, then this furnace can be designed according to points of view and adapted to the conditions required by an operationally reliable arc heater. In this way, the electrodes can be burned off and the cooling water losses per kilowatt hour consumed by this arc heating system can be greatly reduced compared to arc heating in a rotary kiln.
In addition, there is the possibility here of using known circuits, such as the series connection of two arcs, to increase the power factor for the additional furnace in such a way that no further compensation is required. It follows that even when using the arc heater in the additional furnace, a significant improvement in the operational safety and economy of the heat generation can be achieved.