DE102005060962A1

DE102005060962A1 - Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens

Info

Publication number: DE102005060962A1
Application number: DE102005060962A
Authority: DE
Inventors: Markus Berger; Dirk Schefer
Original assignee: Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-28
Also published as: WO2007071332A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material, wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet. Zur Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials wird die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 8 Upm gesteigert und der Drehrohrofen wird gleichzeitig mit mehr als 7,5 tato/m·3· belastet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material, wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet.
Drehrohröfen werden beispielsweise in der Zementindustrie zum Brennen von Zementklinker eingesetzt. Durch die Drehbewegung und die geneigte Anordnung des Drehrohrofens wird das zubrennende Material vom Eingang zum Ausgang bewegt und dabei der Wärmequelle ausgesetzt. Das Material nimmt bei seinem Durchgang unterschiedliche Aggregatzustände an, wobei die Geschwindigkeit, mit der das Material durch den Ofen bewegt wird und die bereitgestellte Wärmemenge genau aufeinander abgestellt sein müssen, um ein gleichbleibendes Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
In der Fachwelt wird die Auffassung vertreten, dass Drehrohröfen, die zum Brennen von Zement oder anderen Mineralien Anwendung finden, nicht zu schnell drehen sollen, um zu kurze Materialverweilzeiten zu vermeiden. Andererseits können geringe Drehzahlen zu einem ungleichmäßigen Materialstrom führen. Auch sagen Fachleute, dass der Ofen nicht zu langsam betrieben werden darf, da dieser sonst zu heiß wird und Schäden an der Ausmauerung und somit einen Ofenstillstand zur Folge hätten. Die Argumentation der Fachwelt hat in der Praxis dazu geführt, das heutzutage Drehrohröfen mit Drehzahlen mit 1,5 bis 5 Upm betrieben werden und dabei Materialbelastungen von etwa 4 tato/m³ (4 Tonnen pro Tag und m³ Ofeninnenraum) erreicht werden können.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Betreiben von Drehrohröfen dahingehend zu verbessern, dass der Energieverbrauch verringert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material wird das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt, wobei dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmübertragung auf das zu brennenden Gut stattfindet. Zur Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials wird die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 8 Upm gesteigert und der Drehrohrofen gleichzeitig mit mehr als 7,5 tato/m³ belastet.

Entgegen der vorherrschenden Meinung der Fachwelt führt eine Steigerung der Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 8 Upm nicht zu einer ungenügenden Verweilzeit des Materials im Ofen. Durch die erhöhte Drehzahl wird die der Wärmequelle ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials erhöht, da das Material bei der Drehbewegung höher an der Innenwand heraufgezogen wird. Außerdem sorgen Rücktransporteffekte des Materials für eine genügende Verweilzeit des Materials im Ofen.

Die größere Oberfläche des der Wärmequelle ausgesetzten Materials führt zu einer höheren Wärmeübertragung bei gleicher Temperaturdifferenz. Diese wesentlich verbesserter Wärmeübertragung ermöglicht die deutliche Durchsatzsteigerung auf mehr als 7,5 tato/m³. Ein höherer Durchsatz führt spezifisch zu einem geringeren Energieverbrauch, da die Umgebungsverluste des Ofens nicht mit ansteigen.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche haben gezeigt, dass eine Steigerung der Drehzahl auf mehr als 8 Upm und eine Belastung des Drehrohrofens auf mehr als 7,5 tato/m³ nach wie vor zu einer hohen Qualität des gebrannten Produktes führt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kommen für das oben beschriebene Verfahren Drehrohröfen mit einem Innendurchmesser von wenigstens 4,5 m, vorzugsweise von wenigstens 5 m zur Anwendung. Außerdem wird der Drehrohrofen vorteilhafterweise mit einer Neigung im Bereich von 1° bis 3,5° betrieben.

Die Drehzahl des Drehrohrofens darf jedoch nicht soweit gesteigert werden, dass kritische Drehzahlen erreicht werden. Verfahrenstechnisch spricht man von der kritischen Drehzahl, wenn die Radialbeschleunigung die Erdbeschleunigung aufhebt. Dann kommt es zum Zentrifugieren, d.h. dass das Material an der Wand haften bleibt. Diese kritische Drehzahl ergibt sich aus folgender Formel:

wobei

D: = Innendurchmesser des Drehrohrofens in m,
g: = Normalbeschleunigung in m/s² und
n_krit: = Drehzahl in l/min

Eine weitere kritische Drehzahl ergibt sich aus der Durchbiegung des Drehrohrofens und die daraus resultierende Biegeeigenfrequenz. Diese kritische Drehzahl berechnet sich wie folgt:

wobei

v: = Durchbiegung infolge des Eigengewichts des Drehrohrofens in m,
g: = Normalbeschleunigung in m/s² und
n_krit,b: = Drehzahl in l/min

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Drehrohrofens,
2 eine schematische Querschnittdarstellung und
3 ein Diagramm zur Darstellung der mittleren Verweilzeit des Materials im Drehrohrofen bei unterschiedlichen Drehzahlen.
Der in der Zeichnung dargestellte Drehrohrofen 1 wird über zwei Lager 2, 3 drehbar abgestützt. Über einen geeigneten, nicht näher dargestellten Antrieb wird der Drehrohrofen in Richtung des Pfeils 4 oder entgegengesetzt um die Ofenachse 5 gedreht. Das zu brennende Material 6 wird an einem Eingang des Drehrohrofens 1 aufgegeben und bewegt sich durch den Drehrohrofen bis zu seinem Ausgang 8. Die Bewegung des Materials durch den Drehrohrofen erfolgt zum einen durch die Drehbewegung und zum anderen durch die Neigung des Drehrohrofens.
Die Ofenachse 5 wird vorzugsweise in einem Bereich von 1° bis 3,5° zur Horizontalen ausgerichtet, sodass der Ausgang 8 tiefer liegt als der Eingang 7. Der Innendurchmesser D des Drehrohrofens beträgt wenigstens 4,5 m, vorzugsweise jedoch wenigstens 5 m.
Im Bereich des Ausgangs 8 ist eine Wärmequelle 9 in Form eines Drehrohrofenbrenners vorgesehen.
Durch die Drehbewegung des Drehrohrofen 1 wird das zu brennende Material 6 aufgrund der Radialbeschleunigung an der Innenwand 10 mit nach oben genommen, bis das Material aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt. Die auf das Material wirkende Radialbeschleunigung hängt insbesondere von der Drehzahl ab. Je größer die Drehzahl ist, umso länger haftet das Material 6 an der Innenwand, bevor es aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt. Je höher das Material mitgenommen wird, umso größer ist auch die der Wärmequelle 9 ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials 6. Der in 2 eingezeichnete Winkel α kennzeichnet den Winkelbereich, in dem das Material an der Innenwand haftet. Er stellt somit ein Maß für die der Wärmequelle ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials dar.
Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt, dass eine höhere Umdrehungszahl keineswegs zu einer geringeren Verweilzeit des Materials im Drehrohrofen führen muss. Diese Erkenntnis beruht im Wesentlichen auf zwei Effekten, die einen Rücktransport eines Teils des Materials bewirken. Der eine Effekt ergibt sich dadurch, dass die Streuwirkung des von weiter oben nach unten fallenden Materials größer ist und somit ein größerer Anteil des Materials zurücktransportiert wird und außerdem mehr Material vom Gasstrom, der den Drehrohrofen vom Ausgang zum Eingang durchsetzt, in Richtung des Eingangs mitgerissen wird.
Im Diagramm gemäß 3 ist nach rechts die Verweilzeit t des Materials im Ofen und nach oben der Materialanteil in Prozent aufgetragen. Die Kurve A zeigt dabei die Materialverteilung bei einer niedrigeren Drehzahl und die Kurve B bei einer höheren Drehzahl. In beiden Fällen kann sich in etwa die gleiche mittlere Verweilzeit t_m ergeben. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen hat sich gezeigt, dass sich die mittlere Verweilzeit bei Drehzahlen von mehr als 8 Upm nicht signifikant von der mittleren Verweilzeit bei niedrigeren Drehzahlen unterscheidet.
Abhängig von der Drehzahl, den Hafteigenschaften des zu brennenden Materials und den Hafteigenschaften der Innenwand des Drehrohrofens kann die mittlere Verweilzeit des Materials gezielt eingestellt werden. Es wäre daher durchaus möglich, dass das Material bei höheren Drehzahlen sogar länger im Ofen verbleibt.
Die Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials und die sich ergebenden Rücktransporteffekte ermöglichen die Durchsatzleistung des Drehrohrofens auf mehr als 7,5 tato/m³ zu erhöhen.
Neben der erhöhten Drehzahl von mehr als 8 Upm kann es von Vorteil sein, wenn die Hafteigenschaften des zu brennenden Materials durch geeignete Materialanpassung verringert werden. Außerdem könnte die Innenwand 10 des Drehrohrofens zumindest über einen Teil der Ofenlänge derart beschichtet werden, dass ein übermäßiges Anbacken des Materials an der Innenwand vermieden wird. Beide Maßnahmen ermöglichen eine Erhöhung der Drehzahlen, ohne dass es im Bereich des Ausgangs zum Zentrifugieren des Materials kommt. Gerade in diesem hinteren Bereich des Drehrohrofens kommt es aufgrund der höheren Temperaturen leicht zu größeren Anbackungen, welche die Mitnahme des Materials begünstigen. Diese Ansatzbildung hat auch zur Folge, dass sich der Innendurchmesser des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang verjüngt.
Die sich bildenden Ansätze haben noch den weiteren Nachteil, dass sich ein Teil der Ansätze von Zeit zu Zeit lösen und als mehr oder weniger große Brocken mit dem gebrannten Material ausgetragen werden. Das Ablösen von Teilen des Ansatzes wird vor allem dadurch bewirkt, dass die Innenwand während einer Umdrehung großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Im Bereich der Sinterzone geht man momentan davon aus, dass die Temperaturschwankungen bis zu 100 K betragen können.
Die Erhöhung der Drehzahl bewirkt neben den oben beschriebenen Effekten auch eine deutliche Verringerung der Temperaturschwankung. In Abhängigkeit der Innenwandbedeckung mit dem zu brennenden Material können diese Temperaturschwankungen sehr gering, insbesondere unter 20 K werden. Dies hat den Vorteil, dass sich die temperaturabhängigen Stoffeigenschaften des Ansatzes in der Sinterzone deutlich weniger ändern und somit der Ansatz stabilisiert wird.
Die Erhöhung der Drehzahl auf mehr als 8 Upm und die Steigerung der Belastung auf mehr als 7,5 tato/m³ ermöglichen einen energetisch günstigeren Betrieb des Drehrohrofens ohne dass Einbußen bei der Qualität des Endproduktes hingenommen werden müssen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens (1) zum Brennen von mineralischem Material (6), wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle (9) eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der der Wärmequelle (9) ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials (6) die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 8 Upm gesteigert und der Drehrohrofen gleichzeitig mit mehr als 7,5 tato/m³ belastet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen (1) mit einem Innendurchmesser (D) von wenigstens 4,5m zur Anwendung kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Neigung im Bereich von 1° bis 3,5° betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Drehzahl betrieben wird, die kleiner als die sich aus der nachfolgenden Formel ergebende kritische Drehzahl ist:
wobei D = Innendurchmesser des Drehrohrofens in m, g = Normalbeschleunigung in m/s² und n_krit = Drehzahl in l/min
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Drehzahl betrieben wird, die kleiner als die sich aus der nachfolgenden Formel ergebende kritische Drehzahl ist:
wobei v = Durchbiegung infolge des Eigengewichts des Drehrohrofens in m, g = Normalbeschleunigung in m/s² und n_krit,b = Drehzahl in l/min
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu brennendes Material (6) verwendet wird, dessen Hafteigenschaften durch Materialanpassung verringert wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (10) des Drehrohrofens zumindest über einen Teil der Ofenlänge derart beschichtet wird, dass ein übermäßiges Anbacken des Materials vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen (1) verwendet wird, dessen Innendurchmesser (D) sich, infolge der Ansatzbildung durch das Material, vom Eingang zum Ausgang verjüngt.