DE102008029512B4

DE102008029512B4 - Method and device for firing a rotary kiln

Info

Publication number: DE102008029512B4
Application number: DE200810029512
Authority: DE
Inventors: Michael Potesser; Dr. Demuth Martin
Original assignee: Messer Austria GmbH
Current assignee: Messer Austria GmbH
Priority date: 2008-06-21
Filing date: 2008-06-21
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2028-06-22
Also published as: DE102008029512A1

Abstract

Verfahren zum Befeuern eines Drehrohrofens (1), mit einem Brenner (2), mittels dessen Brennstoff und primäres Oxidationsmittel in einen Brennraum (3) des Drehrohrofens (1) eingeleitet wird und in einer Flamme (10) verbrennt, und mit einer Lanze (11a, 11b, 11c, 11d) zum Einleiten eines sekundären Oxidationsmittels in den Brennraum (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff niederkalorische Ersatzbrennstoffe enthält und das sekundäre Oxidationsmittel als auf die Flamme (10) gerichteter Gasstrahl mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit in den Brennraum (3) in Form von Gaspulsen eingeleitet wird, wobei die Menge des in den Brennraum (3) eingeleiteten sekundären Oxidationsmittels durch Variation der Dauer der Gaspulse reguliert wird.Method for firing a rotary kiln (1), with a burner (2), by means of which fuel and primary oxidizing agent are introduced into a combustion chamber (3) of the rotary kiln (1) and burns in a flame (10), and with a lance (11a) , 11b, 11c, 11d) for introducing a secondary oxidizing agent into the combustion chamber (3), characterized in that the fuel contains low-calorific substitute fuels and the secondary oxidizing agent as a gas jet directed at the flame (10) at sonic or supersonic speed into the combustion chamber ( 3) is introduced in the form of gas pulses, the amount of the secondary oxidizing agent introduced into the combustion chamber (3) being regulated by varying the duration of the gas pulses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befeuern eines Drehrohrofens, mit einem Brenner, mittels dessen Brennstoff und primäres Oxidationsmittel in einen Brennraum des Drehrohrofens eingeleitet wird und in einer Flamme verbrennt, und mit einer Lanze zum Einleiten eines sekundären Oxidationsmittels in den Brennraum. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Befeuern eines Drehrohrofens.The invention relates to a method for firing a rotary kiln, comprising a burner, by means of which fuel and primary oxidant is introduced into a combustion chamber of the rotary kiln and burned in a flame, and with a lance for introducing a secondary oxidant into the combustion chamber. The invention further relates to a device for firing a rotary kiln.

Drehrohröfen werden insbesondere zur Herstellung bzw. Verarbeitung von Zement, Kalk, Magnesit, Tonerde, Steine und Erden sowie Müll eingesetzt. Die Notwendigkeit, Emissionen von NO_x und CO₂ zu verringern sowie die Forderung nach Erhöhung der Produktivität führen dazu, dass bestehende Luftfeuerungsanlagen mehr und mehr auf die Anwendung von Sauerstoff um-, bzw. nachgerüstet werden sollen. Die Zuführung von Sauerstoff über primäre oder sekundäre Verbrennungsluftkanäle innerhalb des Brenners oder über den Austragsbereich des Aufgabeguts führt jedoch zu dem Problem, dass die Flammentemperatur steigt und damit die Produktion von NO_x in einer untragbaren Weise verstärkt wird. Zugleich können die hohen Temperaturen zu einer Überhitzung des Feuerfestmaterials im Ofeninnenraum führen, die mit dem Sauerstoffeinsatz einhergehende Verkürzung der Flamme führt darüber hinaus zu einer in der Regel nachteiligen Veränderung der Sinterzone.Rotary kilns are used in particular for the production or processing of cement, lime, magnesite, alumina, stones and soils and garbage. The need to reduce emissions of NO _x and CO ₂ as well as the demand for increased productivity mean that existing air conditioning systems are increasingly being converted or retrofitted for the use of oxygen. However, the supply of oxygen via primary or secondary combustion air channels within the combustor or over the discharge area of the feed material causes the problem that the flame temperature increases and thus the production of NO _{x is increased} in an intolerable manner. At the same time, the high temperatures can lead to overheating of the refractory material in the furnace interior, the shortening of the flame associated with the use of oxygen also leads to a generally disadvantageous change in the sintering zone.

Um die mit dem Sauerstoffeinsatz verbundenen Probleme zu überwinden wurde bereits vorgeschlagen, den Sauerstoff mittels Lanzen zur Unterschichtung und Stufung der Flamme in den Drehrohrofen einzutragen.In order to overcome the problems associated with the use of oxygen has already been proposed to enter the oxygen by means of lances for sub-stratification and grading of the flame in the rotary kiln.

Im Folgenden soll mit dem Begriff „primäres Oxidationsmittel” solches Oxidationsmittel bezeichnet werden, das durch Zuführungskanäle des Brenners und/oder über den Austragsbereich des Aufgabeguts in den Brennraum eingetragen wird, unabhängig davon, ob des sich dabei um primäre, sekundäre oder sonstige Zuleitungen handelt. Als „sekundäres Oxidationsmittel” soll Oxidationsmittel bezeichnet werden, das durch separate Oxidationsmittellanzen in den Brennraum eingetragen wird.In the following, the term "primary oxidizing agent" is to be understood as meaning such oxidant which is introduced into the combustion chamber through supply channels of the burner and / or via the discharge region of the feedstock, regardless of whether this is primary, secondary or other supply lines. The term "secondary oxidant" is to be understood as meaning oxidant which is introduced into the combustion chamber by means of separate oxidant lances.

Beispielsweise ist aus der US 3 074 707 B bekannt, die Effizienz eines Zement-Drehrohrofens dadurch zu erhöhen, dass unterhalb der Ausmündung eines Brennstoff-Luft-Brenners und oberhalb des zu behandelnden Rohmaterials Sauerstoff als sekundäres Oxidationsmittel mittels einer Lanze eingedüst wird. Die Menge der über den Brennstoff-Luft-Brenner zugeführten Luft wird entsprechend der Menge an eingeblasenem Sauerstoff reduziert. Insgesamt führt die Anordnung zu einer asymmetrischen Flamme, deren Temperatur auf der dem zu behandelnden Material zugewandten Seite wesentlich höher ist als auf der vom Material abgewandten Seite. Dadurch erfolgt eine effiziente Hitzebeaufschlagung des zu behandelnden Materials.For example, is from the US 3,074,707 B It is known to increase the efficiency of a cement rotary kiln by injecting oxygen as a secondary oxidant by means of a lance below the orifice of a fuel-air burner and above the raw material to be treated. The amount of air supplied via the fuel-air burner is reduced according to the amount of injected oxygen. Overall, the arrangement leads to an asymmetric flame whose temperature is substantially higher on the side facing the material to be treated than on the side facing away from the material. This results in an efficient heat treatment of the material to be treated.

Aus der US 5 005 823 A ist ebenfalls eine Anordnung bekannt, bei der Sauerstoff über eine unterhalb eines Brennstoff-Luftbrenners angeordnete Lanze in den Brennraum eines Drehrohrofens eingetragen wird. Ziel dieser Maßnahme ist, die Flammengeometrie auch bei Rückführung von Ofenstaub in den Verbrennungsprozess stabil zu halten.From the US 5 005 823 A is also known an arrangement in which oxygen is introduced via a arranged below a fuel-air burner lance in the combustion chamber of a rotary kiln. The aim of this measure is to keep the flame geometry stable even when kiln dust is returned to the combustion process.

Zur Verminderung der NO_x-Bildung kommen Verfahren zur gestuften Verbrennung zum Einsatz. Bei der gestuften Verbrennung werden Brennstoff und primäres Oxidationsmittel in einem unterstöchiometrischen Verhältnis in eine Verbrennungszone des Ofens eingeleitet und verbrannt. Aufgrund der für die Verbrennung verfügbaren überschüssigen Menge an Brennstoff reagieren nur wenige der Sauerstoffmoleküle des Oxidationsmittels mit Stickstoff unter Ausbildung von NO_x. Über eine separate Zuleitung wird ein sekundäres Oxidationsmittel, meist reiner Sauerstoff, in die Verbrennungszone eingeleitet, um die Verbrennung in einer zweiten Stufe zu vervollständigen, wobei zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs immer noch ein gewisser Oxidationsmittelüberschuss erforderlich ist. Da das sekundäre Oxidationsmittel dabei mit Ofengasen verdünnt wird, bevor es sich mit unverbranntem Brennstoff durchmischt, vollzieht sich die Verbrennung in der zweiten Stufe nicht mit sehr hohen Temperaturen, wodurch die Menge an neugebildeten NO_x-Molekülen begrenzt wird.In order to reduce the formation of NO _x , processes for staged combustion are used. In staged combustion, fuel and primary oxidant are introduced in a stoichiometric ratio into a combustion zone of the furnace and burned. Due to the excess amount of fuel available for combustion, only a few of the oxygen molecules of the oxidant react with nitrogen to form NO _x . A secondary oxidant, mostly pure oxygen, is introduced into the combustion zone via a separate supply line to complete combustion in a second stage, with some oxidant excess still being required to completely combust the fuel. As the secondary oxidant is diluted with furnace gases before it mixes with unburned fuel, second stage combustion does not occur at very high temperatures, thereby limiting the amount of newly formed NO _x molecules.

Bei einem in der EP 0 748 982 B1 beschrieben Verfahren zur gestuften Verbrennung in einem Industrieofen wird Sauerstoff parallel zur Flamme eines Brennstoff-Luft-Brenners mit einer Geschwindigkeit von bis zu 91,4 m/s in den Brennraum des Ofens eingetragen. Dadurch bilden sich innerhalb des Ofens Gaslagen mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt.At one in the EP 0 748 982 B1 Method for staged combustion in an industrial furnace, oxygen is introduced parallel to the flame of a fuel-air burner at a rate of up to 91.4 m / s in the combustion chamber of the furnace. As a result, gas layers with different oxygen content are formed within the furnace.

Die EP 0 987 508 B1 beschreibt ein Feuerungssystem für ein Kalzinationsverfahren mit Gegenstrom eines mineralischen Gutes, bei dem in die Trommel eines Drehrohrofens in einem Hauptbrenner Brennstoff und primärer Sauerstoff eingetragen wird. Über einen Nebenbrenner wird sekundärer Brennstoff mit sekundärem Sauerstoff über ein Düsensystem in Richtung des am Tommelboden geführten Gutes eingeblasen und verbrannt. Dies führt ergänzend zur Erhitzung des Gutes durch die Hauptbrennerflamme zur Ausbildung einer Hochtemperaturheizzone unmittelbar über dem Gut. Mit dieser Vorgehensweise soll beispielsweise der Verklinkerungsprozess bei der Zementherstellung effizient unterstützt werden.The EP 0 987 508 B1 describes a combustion system for a calcination process with countercurrent of a mineral material in which in the drum of a rotary kiln in a main burner fuel and primary oxygen is introduced. By means of an auxiliary burner, secondary fuel with secondary oxygen is blown in via a nozzle system in the direction of the material guided on the drum base and burned. This leads in addition to the heating of the material by the main burner flame to form a Hochtemperaturheizzone immediately above the estate. With this approach, for example, the Verklinkerungsprozess in cement production should be supported efficiently.

Nachteilig bei den beschriebenen Verfahren nach dem Stande der Technik ist, dass der Sauerstoffeinsatz zu einer verkürzten Flamme im Vergleich zur Flamme einer Brennstoff-Luft-Verbrennung führt. Dadurch entsteht eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Innern des Ofens. A disadvantage of the described prior art methods is that the use of oxygen leads to a shortened flame in comparison to the flame of a fuel-air combustion. This creates an uneven temperature distribution inside the furnace.

Die DE 10 2006 048 435 A1 betrifft einen Glasschmelzofen, bei dem Brennstoff über einen zentralen Brenner und Sauerstoff mit Überschall über eine vom Brenner beabstandete Lanze eingetragen wird. Durch eine Variation der zugeführten Sauerstoffmenge über eine Änderung des Sauerstoffanteils des zugeführten Oxidationsmittels und der Geschwindigkeit, mit der das Gas in den Ofen eingebracht wird, sowie durch eine Änderung der Ausrichtung der Auslassöffnung der Lanze kann die Flammenlänge auf einen maximalen Wert eingestellt werden, wodurch die Bildung von Stickoxiden reduziert werden kann.The DE 10 2006 048 435 A1 relates to a glass melting furnace in which fuel is introduced via a central burner and oxygen supersonic via a lance spaced from the burner. By varying the amount of oxygen supplied by changing the oxygen content of the oxidant supplied and the rate at which the gas is introduced into the furnace, as well as by changing the orientation of the outlet of the lance, the flame length can be set to a maximum value Formation of nitrogen oxides can be reduced.

In den Druckschriften DE 1 483 052 A1 und DE 41 42 401 C2 werden gleichfalls Brenneranlagen für Drehrohröfen beschrieben, bei denen neben einem Primärbrenner eine zusätzliche Sauerstofflanze zum Einsatz kommt, die auf der dem Brenngut abgewandten Seite des Ofenkopfes angeordnet ist. Der Sauerstoff wird dabei mit Unterschallgeschwindigkeit in den Ofenraum eingetragen. Durch die Anordnung der Sauerstofflanze wird erreicht, dass sich der zugeführte Sauerstoff und die vom Brenner ausgehenden Brenngase erst in einem deutlichen Abstand vor dem Brennermund durchmischen. Problematisch bei diesen Gegenständen ist, dass es bei Einsatz von niederkalorischen Brennstoffen mit inhomogenen Brennwerten zu schwankenden Temperaturverteilungen im Brennraum kommen kann.In the pamphlets DE 1 483 052 A1 and DE 41 42 401 C2 Burner systems for rotary kilns are also described in which, in addition to a primary burner, an additional oxygen lance is used, which is arranged on the side facing away from the kiln of the furnace head. The oxygen is introduced at subsonic speed in the furnace chamber. The arrangement of the oxygen lance ensures that the supplied oxygen and emanating from the burner fuel gases mix only at a significant distance in front of the burner mouth. The problem with these objects is that when using low-calorie fuels with inhomogeneous calorific values, fluctuating temperature distributions in the combustion chamber can occur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Befeuern eines Drehrohrofens zu entwickeln, das unter Einsatz von Sauerstoff arbeitet und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Brennraum gewährleistet.The object of the present invention is therefore to develop a method and an arrangement for firing a rotary kiln, which operates using oxygen and ensures a more uniform temperature distribution in the combustion chamber.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung dadurch, dass der Brennstoff niederkalorische Ersatzbrennstoffe enthält und das sekundäre Oxidationsmittel als auf die Flamme gerichteter Gasstrahl mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit in den Brennraum in Form von Gaspulsen eingeleitet wird, wobei die Menge des in den Brennraum eingeleiteten sekundären Oxidationsmittels durch Variation der Dauer der Gaspulse reguliert wird.This object is achieved in a method of the type and purpose mentioned in the fact that the fuel contains lower calorific substitute fuels and the secondary oxidant is introduced as directed to the flame gas jet with sonic or supersonic velocity in the combustion chamber in the form of gas pulses, the amount of is regulated into the combustion chamber introduced secondary oxidant by varying the duration of the gas pulses.

Erfindungsgemäß wird das sekundäre Oxidationsmittel mittels Lanzen direkt in die Flamme eingetragen; die Erfindung folgt damit dem Prinzip der gestuften Verbrennung. Die Menge des über sonstige Kanäle zugeführten primären Oxidationsmittels wird der Menge des zugeführten sekundären Oxidationsmittels entsprechend reduziert. Durch die Erfindung kann der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs bislang erforderliche Überschuss an Oxidationsmittel deutlich gesenkt werden, sodass Brennstoff einerseits und primäres und sekundäres Oxidationsmittel andererseits in stöchiometrischem Verhältnis zueinander oder mit nur noch einem geringen Oxidationsmittelüberschuss zugeführt werden können. Die sehr hohe Geschwindigkeit beim Eintrag des sekundären Oxidationsmittels führt dazu, dass das sekundäre Oxidationsmittel tief in die Flamme eindringt. Im Unterschied zu Verfahren nach dem Stande der Technik, bei denen der Einsatz von Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Oxidationsmittel zu einer Verkürzung der Flamme führt, bleibt die Flammenlänge gleich oder wird sogar noch vergrößert. Selbst bei einem hohen Sauerstoffanteil im sekundären Oxidationsmittel wird die Flamme nicht verkürzt. Dadurch ist die Temperaturverteilung im Brennraum entlang der Längsachse des Ofens sehr viel gleichmäßiger als bei den bekannten Verfahren.According to the invention, the secondary oxidant is introduced by means of lances directly into the flame; The invention thus follows the principle of staged combustion. The amount of primary oxidant added via other channels is correspondingly reduced in the amount of secondary oxidant added. By means of the invention, the excess of oxidant hitherto required for complete combustion of the fuel can be significantly reduced so that fuel on the one hand and primary and secondary oxidant on the other hand can be supplied in stoichiometric ratio to each other or with only a slight excess of oxidizing agent. The very high rate of entry of the secondary oxidant causes the secondary oxidant to penetrate deeply into the flame. Unlike prior art processes, where the use of oxygen or an oxygen-rich oxidizer results in a shortening of the flame, the flame length remains the same or even increases. Even with a high oxygen content in the secondary oxidant, the flame is not shortened. As a result, the temperature distribution in the combustion chamber along the longitudinal axis of the furnace is much more uniform than in the known methods.

Bevorzugt wird das sekundäre Oxidationsmittel in Form von Gaspulsen in den Brennraum eingeleitet. Durch die pulsweise Zuführung des sekundären Oxidationsmittels wird die Eindringtiefe des sekundären Oxidationsmittels in die Flamme weiter erhöht.The secondary oxidant is preferably introduced into the combustion chamber in the form of gas pulses. By pulsed feeding of the secondary oxidant, the penetration depth of the secondary oxidant into the flame is further increased.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Menge des in den Brennraum eingeleiteten sekundären Oxidationsmittels durch Variation der Dauer der Gaspulse reguliert wird. Dies ist insbesondere beim Überschalleintrag des sekundären Oxidationsmittels mit Lavaldüsen von Vorteil, da diese Düsen nur in einem bestimmten Durchfluss- und Druckbereich optimal arbeiten können.An advantageous development of the invention provides that the amount of introduced into the combustion chamber secondary oxidant is regulated by varying the duration of the gas pulses. This is particularly advantageous in the case of supernatant introduction of the secondary oxidant with Laval nozzles since these nozzles can operate optimally only in a specific flow and pressure range.

Um insbesondere beim Einsatz von Lavaldüsen einen kontinuierlichen Mengenstrom an zugeführtem sekundärem Oxidationsmittel zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass wenigstens zwei Lanzen für sekundäres Oxidationsmittel vorgesehen sind und die Einleitung des sekundären Oxidationsmittels durch zeitlich aufeinander abgestimmte Gaspulse aus den jeweiligen Lanzen erfolgt.In order to achieve a continuous flow rate of supplied secondary oxidant, in particular when using Laval nozzles, it is advantageous that at least two lances are provided for secondary oxidant and the introduction of the secondary oxidant takes place by timed gas pulses from the respective lances.

Eine abermals vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Brennstoff niederkalorische Ersatzbrennstoffe, wie beispielsweise Klärschlamm, Schredderabfälle, Schredderleichtfraktion, Lösemittelreste oder biogene, nachwachsende” Rohstoffe, wie beispielsweise Holz, enthält. Zunehmende Energiepreise führen zu der Forderung, mit derartigen Ersatzbrennstoffen teure fossile Brennstoffe wie Erdgas, Erdöl oder Kohle ganz oder teilweise zu substituieren. Sie haben jedoch den Nachteil eines in der Regel geringeren Brennwerts bei einem höheren unbrennbaren Ballastanteil und einer oft schwankenden Energiedichte selbst innerhalb einer Charge. Durch die gleichmäßigere Temperaturverteilung im Ofen und die flexible Handhabung bei Zusammensetzung und Zuführung der Oxidationsmittel können die mit diesen Nachteilen des Brennstoffs verbundenen Probleme zumindest teilweise entschärft werden.A yet further advantageous embodiment of the invention provides that the fuel low calorific substitute fuels, such as sewage sludge, shredder waste, shredder light fraction, solvent residues or biogenic, renewable "raw materials, such as wood contains. Increasing energy prices lead to the demand to substitute totally or partially expensive fossil fuels such as natural gas, oil or coal with such substitute fuels. However, they have the disadvantage of a generally lower calorific value at a higher incombustible ballast and often fluctuating energy density even within a batch. The more uniform temperature distribution in the furnace and the flexible handling of the composition and delivery of the oxidizing agents can at least partially alleviate the problems associated with these fuel drawbacks.

Bevorzugt wird der Sauerstoffeintrag in Abhängigkeit vom Energieinhalt des eingesetzten Brennstoffs laufend oder nach einem vorgegebenen Programm geregelt. Die Regulierung der Sauerstoffmenge erfolgt dabei beispielsweise über die Zusammensetzung des sekundären Oxidationsmittels, die Dauer von Gaspulsen und/oder die Zu- und Abschaltung einzelner Lanzen. Ebenso vorteilhaft ist es, die Geschwindigkeit zu regeln, mit der der Gasstrahl des sekundären Oxidationsmittels in den Brennraum eingetragen wird. Eine derartige Vorgehensweise empfiehlt sich insbesondere beim Einsatz von Ersatzbrennstoffen mit inhomogener Energiedichte.The oxygen input is preferably controlled continuously or in accordance with a predetermined program as a function of the energy content of the fuel used. The regulation of the amount of oxygen is carried out, for example, on the composition of the secondary oxidant, the duration of gas pulses and / or the connection and disconnection of individual lances. It is also advantageous to regulate the speed with which the gas jet of the secondary oxidant is introduced into the combustion chamber. Such a procedure is particularly recommended when using substitute fuels with inhomogeneous energy density.

Der Sauerstoffanteil des sekundären Oxidationsmittels beträgt bevorzugt über 50 Vol.-%, besonders bevorzugt über 95 Vol.-%. Die Sauerstoffgehalte von primärem und sekundärem Oxidationsmittel können dabei unterschiedlich sein, wobei der Sauerstoffgehalt des sekundären Oxidationsmittels höher sein sollte als der Sauerstoffgehalt des ersten Oxidationsmittels. Sauerstoff in einer Reinheit von 95% kann relativ preisgünstig z. B. in Druckwechsel-Adsorptionsanlagen hergestellt werden.The oxygen content of the secondary oxidizing agent is preferably more than 50% by volume, more preferably more than 95% by volume. The oxygen contents of primary and secondary oxidant may be different, wherein the oxygen content of the secondary oxidant should be higher than the oxygen content of the first oxidant. Oxygen in a purity of 95% can be relatively inexpensive z. B. are produced in pressure swing adsorption.

Zweckmäßigerweise wird das sekundäre Oxidationsmittel vor dem Eintrag in den Brennraum vorgewärmt, um die energetischen Verhältnisse im Brennraum zu optimieren.Conveniently, the secondary oxidant is preheated prior to entry into the combustion chamber to optimize the energy conditions in the combustion chamber.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung von Zementklinker. Jedoch sind andere Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in jedweden Bereichen, in denen Drehrohröfen zum Einsatz kommen, im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen.A preferred use of the method according to the invention consists in the production of cement clinker. However, other uses of the method according to the invention in any field in which rotary kilns are used are not excluded in the context of the invention.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Befeuern eines Drehrohrofens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.The object of the invention is also achieved by a device for firing a rotary kiln with the features of claim 11.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einem, in einen Brennraum einmündenden Brenner ausgerüstet, der eine Zuführung für Brennstoff und wenigstens eine Zuführung für primäres Oxidationsmittel umfasst. Zusätzlich zum Brenner münden wenigstens zwei Lanzen zum Zuführen von sekundärem Oxidationsmittel in den Brennraum ein, wobei diese Lanzen Zuleitungen für sekundäres Oxidationsmittel aufweisen, die mit ansteuerbaren Armaturen zum Ermöglichen eines pulsweisen Gaseintrags in den Brennraum des Drehrohrofens ausgerüstet sind. Der Eintrag des sekundären Oxidationsmittels erfolgt also mittels wenigstens zweier Lanzen, die das sekundäre Oxidationsmittel in aufeinander abgestimmten Pulsen in den Brennraum des Drehrohrofens eintragen.The device according to the invention is equipped with a burner which opens into a combustion chamber and comprises a feed for fuel and at least one feed for primary oxidant. In addition to the burner, at least two lances for introducing secondary oxidant into the combustion chamber, these lances having secondary oxidant supply lines equipped with controllable armatures for permitting pulsed gas introduction into the combustion chamber of the rotary kiln. The entry of the secondary oxidant is thus carried out by means of at least two lances that enter the secondary oxidant in matched pulses in the combustion chamber of the rotary kiln.

Bevorzugt ist wenigstens eine Lanze mit einer Lavaldüse zur Überschallinjektion des sekundären Oxidationsmittels ausgerüstet. Da die Lavaldüse nur in einem engen Durchfluss- und Geschwindigkeitsbereich optimal funktioniert, ist durch den pulsweisen Eintrag ein sehr effizientes Instrument geschaffen, um die Menge des insgesamt eingetragenen sekundären Oxidationsmittels in einem weiten Bereich regeln zu können. Besonders vorteilhaft ist dies beim Einsatz von niederkalorischen und inhomogenen Ersatzbrennstoffen.Preferably, at least one lance is equipped with a Laval nozzle for supersonic injection of the secondary oxidant. Since the Laval nozzle works optimally only in a narrow flow and speed range, the pulsed entry creates a very efficient instrument to regulate the amount of the total registered secondary oxidant in a wide range. This is particularly advantageous when using low calorific and inhomogeneous substitute fuels.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Lanzen in Richtung auf die Lage des Aufgabeguts beim Einsatz des Drehrohrofens beabstandet vom Brenner in den Brennraum einmünden, wobei ihre Achsen jeweils die Achse des Brenners im Brennraum vor der Brennermündung im spitzen Winkel schneidet. Diese Anordnung der Lanzen ermöglicht es, dass während des Einsatzes des Drehrohrofens, bei dem sich das Aufgabegut aufgrund der Drehbewegung des Ofens seitlich verschiebt, der größte Teil des Aufgabeguts mit hoher thermischer Energie beaufschlagt werden.An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that at least a portion of the lances open in the direction of the position of the feedstock when using the rotary kiln spaced from the burner into the combustion chamber, with their axes each axis of the burner in the combustion chamber in front of the burner mouth at an acute angle cuts. This arrangement of the lances makes it possible that during the use of the rotary kiln, in which the feed shifts laterally due to the rotational movement of the furnace, the largest part of the feed material are subjected to high thermal energy.

Anhand der Zeichnungen soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.With reference to the drawings, an embodiment of the invention will be explained in more detail.

In schematischen Anzeigen zeigt:In schematic displays shows:

1: Einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Drehrohrofens im Längsschnitt und 1 : A section of a rotary kiln according to the invention in longitudinal section and

2: eine Brenner- und Lanzenanordnung des Ofens aus 1 in einer Draufsicht. 2 : a burner and lance assembly of the furnace 1 in a top view.

1 zeigt den hinteren Abschnitt eines Drehrohrofens 1, wie er insbesondere zum Brennen von Zementklinker eingesetzt wird. In an sich bekannter und daher hier nicht gezeigter Weise ist der Drehrohrofen auf der von einem Brenner 2 abgewandten Seite mit einem Kalzinator und einer sich daran anschließenden Vorwärmstufe verbunden. Das zu behandelnde Rohmaterial (Ofenmehl) wird in der Vorwärmstufe schrittweise auf 550°C–600°C aufgeheizt, anschließend zwecks Entsäuerung dem Kalzinator zugeführt und gelangt schließlich über einen hier gleichfalls nicht gezeigten Ofeneinlauf in den Brennraum 3 des Drehrohrofens 1. Aufgrund der Drehbewegung des Drehrohrofens 1 und einer geringen Neigung zum Brenner 2 hin erfolgt im Drehrohrofen 1 ein langsamer Transport des Aufgabeguts 4 durch eine Sinterzone 5, in der die Ausbildung der für die hydraulischen Eigenschaften des Zements entscheidenden Klinkerphasen bei einer Temperatur von ca. 1450°C erfolgt. Die Aufrechterhaltung dieser Temperatur erfolgt mit Hilfe des Brenners 2. 1 shows the rear section of a rotary kiln 1 as used in particular for burning cement clinker. In known per se and therefore not shown here, the rotary kiln is on the of a burner 2 opposite side connected to a calciner and an adjoining preheating stage. The raw material to be treated (kiln meal) is gradually heated in the preheating step to 550 ° C-600 ° C, then fed to the calciner for deacidification and finally passes through a likewise not shown here kiln inlet into the combustion chamber 3 of the rotary kiln 1 , Due to the rotational movement of the rotary kiln 1 and a slight inclination to the burner 2 out in the rotary kiln 1 a slow transport of the feed 4 by a sintering zone 5 , in which the formation of the decisive for the hydraulic properties of the cement clinker phases takes place at a temperature of about 1450 ° C. The maintenance of this temperature is carried out with the help of the burner 2 ,

Beim Brenner 2 handelt es sich beispielsweise um einen Brennstoff-Luft-Brenner mit einer auf der Achse des Drehrohrofens angeordneten Brennstoffzuführung 6 und einer koaxial um diese angeordneten Zuführung 7 für primäres Oxidationsmittel, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um Luft oder um mit Sauerstoff angereicherte Luft mit einem Sauerstoffanteil von bis zu 23,5 Vol.-% handelt. Die Zuführung 7 ist als ringförmige Düse oder in Form mehrerer, in gleichmäßigen Winkelabständen voneinander beabstandeter und koaxial um die Brennstoffzuführung 6 angeordneter Einzeldüsen ausgestaltet. Es können auch beispielsweise mehrere radial voneinander beabstandete Zuführungen für primäres Oxidationsmittel vorgesehen sein. Das primäre Oxidationsmittel für die Zuführung 7 wird über eine Oxidationsmittelzuleitung 8 eingeleitet. Weiteres primäres Oxidationsmittel kann beispielsweise über den Austragsabschnitt 9 des Drehrohrofens 1 in den Brennraum 3 eingeleitet werden.At the burner 2 For example, it is a fuel-air burner with a arranged on the axis of the rotary kiln fuel supply 6 and a coaxially arranged around this feeder 7 for primary oxidant, which in the exemplary embodiment is air or oxygen-enriched air having an oxygen content of up to 23.5 vol .-%. The feeder 7 is as an annular nozzle or in the form of several, at regular angular intervals spaced apart and coaxial about the fuel supply 6 arranged arranged individual nozzles. It can also be provided, for example, a plurality of radially spaced feeds for primary oxidant. The primary oxidant for the delivery 7 is via an oxidant supply line 8th initiated. Further primary oxidizing agent may, for example, via the discharge section 9 of the rotary kiln 1 in the combustion chamber 3 be initiated.

Beim durch die Brennstoffzuführung 6 in den Brennraum 3 eingeleiteten Brennstoff handelt es sich beispielsweise um Erdgas, Öl oder Kohlestaub, oder auch um einen Ersatzbrennstoff wie Klärschlamm, Schredderabfälle, Lösemittelreste oder um biogenen, „nachwachsenden” Brennstoff, wie etwa Holz. Als Brennstoff kann auch ein Gemisch aus den vorgenannten Substanzen eingesetzt werden. Der Brennstoff wird der Brennstoffzuführung 6 über eine für den jeweiligen Stoff oder das Stoffgemisch geeignete Brennstoffzuleitung zugeführt. Brennstoff und primäres Oxidationsmittel verbrennen im Brennraum 3 unter Ausbildung einer Flamme 10. Da, wie im Folgenden beschrieben, ein sekundäres Oxidationsmittel zum Einsatz kommt, werden Brennstoff und primäres Oxidationsmittel im unterstöchiometrischen Verhältnis eingetragen; aufgrund des Brennstoffüberschusses wird dadurch die Bildung von Stickoxiden unterdrückt.When through the fuel supply 6 in the combustion chamber 3 The fuel introduced may be, for example, natural gas, oil or coal dust, or even a substitute fuel such as sewage sludge, shredder waste, solvent residues or biogenic, "renewable" fuel such as wood. As fuel, a mixture of the aforementioned substances can be used. The fuel becomes the fuel supply 6 supplied via a suitable fuel supply for the respective substance or mixture. Fuel and primary oxidizer burn in the combustion chamber 3 under formation of a flame 10 , Since, as described below, a secondary oxidant is used, fuel and primary oxidant are added in the stoichiometric ratio; due to the excess of fuel, the formation of nitrogen oxides is thereby suppressed.

In den Brennraum 3 wird das sekundäre Oxidationsmittel in Form eines sauerstoffangereicherten Gases (mit 21 bis 99 Vol.-% Sauerstoffanteil) oder reinem Sauerstoff (mit mindestens 99 Vol.-% Sauerstoffanteil) in einer Menge zugeführt, die, zusammen mit dem primären Oxidationsmittel, eine vollständige Verbrennung des zugeführten Brennstoffs erlaubt. Zur Optimierung der energetischen Verhältnisse im Brennraum 3 kann das sekundäre Oxidationsmittel – wie auch das primäre Oxidationsmittel und/oder der Brennstoff – vor seiner Zuführung in den Brennraum 3 vorgewärmt werden. Die Zuführung des sekundären Oxidationsmittels erfolgt über mehrere Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d. Die Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d, im Ausführungsbeispiel vier Stück, sind auf einem vom Brenner 2 beabstandeten Kreissegment angeordnet. Die Lanzen 11b, 11c, 11d sind in Richtung auf das – sich bei Drehung des Drehrohrofens 1 in Drehrichtung verschiebende – Aufgabegut 4 angeordnet, somit trägt das durch sie eingetragene sekundäre Oxidationsmittel direkt zur Befeuerung des Aufgabeguts bei. Das durch die – in Drehrichtung gesehen – vor dem Aufgabegut 4 angeordnete Lanze 11a zugeführte Oxidationsmittel bewirkt eine Aufheizung desjenigen Teils der Ofenwand, der sich aufgrund der Drehung des Drehrohrofens anschließend unter das Aufgabegut 4 schiebt. Die relative Anordnung der Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d zueinander sowie ihr genauer Abstand von der Brennerachse richtet sich nach den jeweiligen Verhältnissen und Anforderungen, wie z. B. der gewünschten Temperatur in der Sinterzone 5.In the combustion chamber 3 the secondary oxidant is supplied in the form of an oxygen-enriched gas (having 21 to 99% by volume of oxygen) or pure oxygen (having at least 99% by volume of oxygen) in an amount which, together with the primary oxidizing agent, provides complete combustion of the supplied fuel allowed. To optimize the energetic conditions in the combustion chamber 3 may be the secondary oxidant - as well as the primary oxidant and / or the fuel - prior to its delivery into the combustion chamber 3 to be preheated. The supply of the secondary oxidant takes place via several lances 11a . 11b . 11c . 11d , The lances 11a . 11b . 11c . 11d , in the exemplary embodiment four pieces, are on one of the burner 2 spaced circle segment arranged. The lances 11b . 11c . 11d are in the direction of that - with rotation of the rotary kiln 1 in the direction of rotation shifting - Aufgabegut 4 Thus, the secondary oxidant introduced by them contributes directly to the firing of the feedstock. That by the - seen in the direction of rotation - before the feed 4 arranged lance 11a supplied oxidizing agent causes a heating of that part of the furnace wall, which then due to the rotation of the rotary kiln under the feed material 4 pushes. The relative arrangement of the lances 11a . 11b . 11c . 11d each other and their exact distance from the burner axis depends on the respective conditions and requirements, such. B. the desired temperature in the sintering zone 5 ,

Die Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d sind jeweils mit einer Lavaldüse versehen, um einen Eintrag des sekundären Oxidationsmittels mit Überschall zu ermöglichen. Die Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d sind – von der Achse des Drehrohrofens 1 gesehen – derart winklig zum Brenner 2 angeordnet, dass die aus den Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d austretende Gasstrahlen jeweils in einem spitzen Winkel auf die Flamme 10 treffen und in diese eindringen. Auf diese Weise entsteht im unteren Teil der Flamme 10 ein sauerstoffreicher Bereich mit einer erhöhten Temperatur. Durch den hohen Impuls des mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit eingetragenen sekundären Oxidationsmittels wird die Flamme 10 verlängert und der Brennraum 3 gleichmäßig erhitzt. Dabei ist – bei konstantem Austrittquerschnitt – der Mengenstrom sowie die Eindringtiefe in die Flamme 10 umso höher, je größer die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstrahls an der jeweiligen Lanze 11a, 11b, 11c, 11d ist.The lances 11a . 11b . 11c . 11d are each provided with a Laval nozzle to allow entry of the secondary oxidant with supersonic. The lances 11a . 11b . 11c . 11d are - from the axis of the rotary kiln 1 seen - so angled to the burner 2 arranged that out of the lances 11a . 11b . 11c . 11d escaping gas jets at an acute angle to the flame 10 meet and penetrate into this. In this way arises in the lower part of the flame 10 an oxygen rich area with an elevated temperature. The high momentum of the sonic or supersonic velocity secondary oxidant causes the flame 10 extended and the combustion chamber 3 heated evenly. In this case - with a constant outlet cross-section - the flow rate and the penetration depth into the flame 10 the higher, the greater the exit velocity of the gas jet at the respective lance 11a . 11b . 11c . 11d is.

Die Zufuhr von sekundärem Oxidationsmittel und seine Austrittsgeschwindigkeit an den Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d werden über Sperr- und Regelarmaturen 12 gesteuert, die jeweils in den Oxidationsmittelzuleitung 13 einer Lanze 11a, 11b, 11c, 11d angeordnet sind. Mittels einer Steuereinheit 15, die mit den Sperr- und Regelarmaturen 12 in Datenverbindung steht, kann die Zufuhr an sekundärem Oxidationsmittel hinsichtlich der Gesamtmenge an eingetragenem Gas und der Geschwindigkeit des jeweils an einer Lanze 11a, 11b, 11c, 11d austretenden Gasstrahls geregelt werden. Um den Überschuss an Oxidationsmittel gegenüber dem Brennstoff zu begrenzen und zumindest annähernd stöchiometrische Verhältnisse herzustellen, kann auch die Zufuhr von primärem Oxidationsmittel über eine entsprechende Regelarmatur 14 in der Zuleitung 8 geregelt werden. Die Regelung erfolgt jeweils nach einem vorgegebenen Programm oder nach gemessenen Parameter, wie beispielsweise der Zusammensetzung des Brennstoffs, oder der der Temperatur der Flamme 10 oder der Atmosphäre im Brennraum 3, wobei die Messung der Parameter im Brennraum durch geeignete Sensoren 16 erfolgt. Die Steuereinheit 12 erlaubt die Regelung jeder einzelnen Lanze 11a, 11b, 11c, 11d sowohl hinsichtlich der durch sie geführten Gasmenge als auch hinsichtlich der Geschwindigkeit des durch sie geführten Gasstroms. Zur Regelung der Gasmenge wird das Gas insbesondere pulsweise durch die Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d geführt; die Dauer der Pulse richtet sich dabei nach der insgesamt erforderlichen Gasmenge und der Eintragungsgeschwindigkeit. Um einen insgesamt gleichmäßigen Eintrag von sekundärem Oxidationsmittel in den Brennraum 3 zu gewährleisten, werden Dauer und zeitliche Abfolge der Gaspulse aus den einzelnen Lanzen 11a, 11b, 11c, 11d koordiniert gesteuert. Die Variation der Eintragsgeschwindigkeit des sekundären Oxidationsmittels ermöglicht insbesondere eine Änderung der Flammenlänge und damit die Anpassung der thermischen Beaufschlagung an Art und Verteilung des Aufgabeguts 4 im Drehrohrofen 1.The supply of secondary oxidant and its exit velocity at the lances 11a . 11b . 11c . 11d are about locking and control valves 12 controlled, each in the oxidant supply line 13 a lance 11a . 11b . 11c . 11d are arranged. By means of a control unit 15 that with the locking and control valves 12 is in data communication, the supply of secondary oxidant with respect to the total amount of gas introduced and the speed of each at a lance 11a . 11b . 11c . 11d exiting gas jet are regulated. In order to limit the excess of oxidizing agent relative to the fuel and to produce at least approximately stoichiometric ratios, the supply of primary oxidizing agent can also be effected via a corresponding control fitting 14 in the supply line 8th be managed. The regulation is in each case according to a predetermined program or according to measured parameters, such as the composition of the fuel, or the temperature of the flame 10 or the atmosphere in the combustion chamber 3 , wherein the measurement of the parameters in the combustion chamber by means of suitable sensors 16 he follows. The control unit 12 allows the regulation of each lance 11a . 11b . 11c . 11d both in terms of the amount of gas passing through them and in terms of the velocity of the gas stream passing through them. To regulate the amount of gas, the gas is in particular pulsed by the lances 11a . 11b . 11c . 11d guided; The duration of the pulses depends on the total amount of gas required and the entry speed. To get an overall uniform entry of secondary oxidant into the combustion chamber 3 to ensure the duration and timing of the gas pulses from the individual lances 11a . 11b . 11c . 11d coordinated controlled. The variation of the rate of entry of the secondary oxidant allows in particular a change in the flame length and thus the adaptation of the thermal loading on the nature and distribution of the feedstock 4 in the rotary kiln 1 ,

Die beschriebene Brenner- und Lanzenanordnung kann auch in bestehenden Anlagen problemlos nachgerüstet werden. Dadurch können auch in für fossile Brennstoffe ausgelegte Anlagen mit Anteilen bis zu 85% und mehr mit Ersatzbrennstoffen betreiben werden, ohne dass die aus deren Verbrennung resultierende Abgasbelastung mit NO_x gesetzlich zugelassene Werte übersteigt. Durch den erhöhten Sauerstoffgehalt im sekundären Oxidationsmittel kann die spezifische Energiedichte in der Sinterzone 5 auch bei niederenergetischen Ersatzbrennstoffen auf dem gleichen Niveau wie das von fossilen Brennstoffen gehalten werden.The described burner and lance assembly can be easily retrofitted in existing systems. As a result, fossil-fueled plants with proportions of up to 85% and more can be fueled with substitute fuels, without the NO _x exhaust emissions resulting from their combustion exceeding legally permitted levels. Due to the increased oxygen content in the secondary oxidant, the specific energy density in the sintering zone 5 even with low-energy substitute fuels at the same level as that of fossil fuels.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Brenner und Lanzen ist im Übrigen nicht auf Drehrohröfen zum Brennen von Zementklinker beschränkt, sondern kann in jeder Art Drehrohrofen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei Ofen für das Brennen von Kalk, beim Schmelzen keramische Gläser, Fritten oder von Metallen, bei der Pigmentherstellung oder Aktivkohleaktivierung oder anderen Gebieten zum Einsatz kommen.The arrangement of the burner and lances according to the invention is not limited to rotary kilns for firing cement clinker, moreover, but can be used in any type of rotary kiln, for example, in furnace for burning lime, when melting ceramic glasses, frits or metals, in the Pigment production or activated charcoal activation or other areas.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DrehrohrofenRotary kiln
22: Brennerburner
33: Brennraumcombustion chamber
44: Aufgabegutfeed
55: Sinterzonesintering zone
66: Brennstoffzuführungfuel supply
77: Zuführung für primäres OxidationsmittelFeed for primary oxidant
88th: OxidationsmittelzuleitungOxidant supply line
99: Austragsabschnittcarry-out
1010: Flammeflame
11a–11d11a-11d: Lanze für sekundäres OxidationsmittelLance for secondary oxidizer
1212: Sperr- und RegelarmaturLock and control valve
1313: OxidationsmittelzuleitungOxidant supply line
1414: Regelarmaturcontrol valve
1515: Steuereinheitcontrol unit
1616: Sensorsensor

Claims

Method for firing a rotary kiln ( 1 ), with a burner ( 2 ), by means of which fuel and primary oxidant in a combustion chamber ( 3 ) of the rotary kiln ( 1 ) and in a flame ( 10 ) and with a lance ( 11a . 11b . 11c . 11d ) for introducing a secondary oxidant into the combustion chamber ( 3 ), characterized in that the fuel contains lower calorific substitute fuels and the secondary oxidant is burned on the flame ( 10 ) directed gas jet with sonic or supersonic velocity into the combustion chamber ( 3 ) is introduced in the form of gas pulses, wherein the amount of in the combustion chamber ( 3 ) is regulated by varying the duration of the gas pulses.

Method according to claim 1, characterized in that at least two lances ( 11a . 11b . 11c . 11d ) are provided for secondary oxidant, and the introduction of the secondary oxidant by matched gas pulses from the different lances ( 11a . 11b . 11c . 11d ) he follows.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that as low calorific substitute fuels sewage sludge, shredder waste or solvent residues or biogenic fuels, such as wood, are used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen input into the combustion chamber ( 3 ) is controlled continuously or according to a predetermined program depending on the energy content of the fuel used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed of the gas jet of the secondary oxidant is controlled when entering the combustion chamber.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the oxygen content of the secondary oxidant is more than 50% by volume, preferably more than 95% by volume.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary oxidant before entry into the combustion chamber ( 3 ) is preheated.

Use of a method according to any one of the preceding claims for firing cement clinker.

Device for firing a rotary kiln ( 1 ), with one into a combustion chamber ( 3 ) opening burner ( 2 ), which is a feeder ( 6 ) for fuel and a feeder ( 7 . 9 ) for primary oxidant, and with outside of the burner ( 2 ) arranged means for supplying secondary oxidant into the combustion chamber ( 3 ) of the rotary kiln, characterized in that the supply of secondary oxidant at least two lances ( 11a . 11b . 11c . 11d ) whose supply lines ( 13 ) with controllable fittings ( 12 ) for allowing a pulsed gas entry into the combustion chamber ( 3 ) of ( 1 ) Rotary kiln are equipped.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the at least one lance ( 11a . 11b . 11c . 11d ) is equipped with a Laval nozzle for supersonic injection of the secondary oxidant.

Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that at least a part of the lances ( 11b . 11c . 11d ) towards the location of the feedstock ( 4 ) when using the rotary kiln spaced from the burner ( 2 ) in the combustion chamber ( 3 ), with their axes respectively the axis of the burner ( 2 ) in a combustion chamber ( 3 ) in front of the burner mouth point at an acute angle.