DE10325557A1

DE10325557A1 - Verfahren zur Verringerung von Schadstoffen in den Abgasen eines Schmelzofens

Info

Publication number: DE10325557A1
Application number: DE2003125557
Authority: DE
Inventors: Johannes Lodin
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-23
Also published as: WO2004108975A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens (1), bei dem Schmelzgut (2) in den Ofen (1) eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner (4) mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem Schmelzgut (2) angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner (4) zur Abzugsöffnung (6) im Ofen (1) strömen, wobei dem im Schmelzofen (1) strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung (6) des Schmelzofens (1) oder aus der Abzugsöffnung (6) selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum (3) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen (1) eingebrachten stauerstoffreichen Gases über eine Steuerung (11) unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird, gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens, bei dem Schmelzgut in den Ofen eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem Schmelzgut angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner zur Abzugsöffnung im Ofen strömen, wobei dem im Schmelzofen strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung des Schmelzofens oder aus der Abzugsöffnung selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum gerichtet ist.

In Metallschmelzöfen, insbesondere in Öfen, in denen NE-Recycling-Metall eingeschmolzen wird, z.B. Aluminium oder Blei, entstehen häufig Schwelgase und letztlich Abgase mit hohen Konzentrationen an unerwünschten Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Hinsichtlich dieser Gase ist derzeit ein Grenzwert von 50 mg organischem Kohlenstoff im Halbstundenmittel im Abgas zu berücksichtigen. Besagte Gase entstehen beim Schmelzprozeß des mit entsprechenden Verunreinigungen eingebrachten Materials, z.B. aus Lackierungen oder anderen Kunststoffbeschichtungen dieses Materials, wobei diese Materialien durch das Erhitzen verdampfen, sich mit den vom Feuerungsbrenner stammenden Verbrennungsgasen vermischen und schließlich in dieser Mischung die Anlage durch den Abgaskanal verlassen.

Vielfach wurde bislang die bei diesen Schmelzvorgängen auftretende Schadstofferzeugung einfach hingenommen, andererseits ist dies nach heutiger Sehweise und auch vor dem Hintergrund nicht überschreitbarer Schadstoff-Obergrenzen nicht mehr vertretbar oder zulässig. Zur Verminderung der Schadstoffe wurden daher auch schon Einrichtungen vorgeschlagen, die im wesentlichen für eine Nachverbrennung der schädlichen Verbindungen im Abgasteil einer solchen Schmelzanlage sorgen. Dafür sind eigens dafür zu installierende Nachbrenner bekannt, die auf das im Abgaskanal fließende Gas einwirken. Diese Maßnahmen bedeuten jedoch einen nicht uner heblichen Energie- und Sachaufwand und eine zusätzliche thermische Belastung der Abgasseite einer Schmelzanlage.

Zum Frischen, d.h. Oxidieren von Kohlenstoff und unerwünschten Elementen in der Schlacke, ist es bei Siemens-Martin-Öfen bekannt, Sauerstoff über wassergekühlte Lanzen, die senkrecht von oben in den Ofen geführt werden, knapp oberhalb des Bades auf die Schlacke zu blasen ("Stahl u. Eisen" 80, Nr.7, 31. März 1960, S. 441–444). Durch dieses Verfahren wird die chemische Zusammensetzung der Schmelze verändert, um Roheisen in Stahl umzuwandeln, eine Schadstoffreduktion in den Abgasen des Schmelzofens ist nicht beabsichtigt.

Die Zuspeisung von sauerstoffreichem Gas entgegen das im Raum über der Schmelze strömende Ofengas bewirkt, daß die dort sich sammelnden Verbrennungs- und Schwelgase, also Wasser, CO₂, CO und Kohlenwasserstoffe, sofern sie nicht schon in der höchsten Oxidationsendstufe vorliegen, bereits im Ofen weiter oxidiert, also nachverbrannt werden. Dadurch werden insbesondere die schädlichen Verbindungen, wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe weiterreagiert, wodurch auch deren Anteile im Abgas wie gewünscht vermindert werden. Die gegensinnige Orientierung der Zugabe des sauerstoffreichen Gases bezüglich des Zuflusses der Verbrennungsgase vom Feuerungsbrenner bewirkt dabei, daß in den Schmelzofeninnenraum sich gegenseitig verwirbelnde Strömungen eingebracht werden und so diese strömenden Gase nur zu einem geringen Teil schon nach kurzer Zeit wieder aus dem Ofen austreten. Dabei entstehen nämlich Rezirkulations- und Wirbelströmungen im Ofeninnenraum, die die Aufenthaltszeit der schädlichen Verbindungen im Ofen bei hohen Temperaturen verlängern und so die besagte Oxidation stark begünstigen.

Durch Zugabe des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung für die Ofengase oder aus der Abzugsöffnung selbst wird erreicht, daß der eingespeiste O₂-Volumenstrom nicht die Hauptströmungsrichtung unterstützt und damit hilft, Schadstoffe unverbrannt in das Abgassystem zu treiben, sondern daß nahezu alle Gase vor dem Verlassen des Schmelzofens mit dem sauerstoffreichen Gasstrom in Berührung kommen, wobei gleichzeitig eine sehr effiziente Rezirkulation der Ofengase bewirkt wird. Mit dieser Ausführung wird eine besonders wirkungsvolle Abgasreduzierung festgestellt, die wohl darauf beruht, daß der aus dem Abgaskanal oder seiner Umgebung kommende Sauerstoffstrom quasi eine Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidsperre für die abziehenden Gase darstellt. Es wird also bewirkt, daß die Schwelgase und die schädlichen Verbindungen, die sich in den Schwelgasen aus dem Schmelzgut befinden und im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bestehen, bereits im Ofen verbrennen. Die entstehende Wärme kommt dem Schmelzprozeß zugute womit wertvolle Primärenergie eingespart werden kann.

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Verbesserung der geschilderten Umstände zu schaffen, also eine Verringerung der erzeugten, schädlichen Verbindungen in den Abgasen bei den angesprochenen Schmelzprozessen auf möglichst günstige und effiziente Weise zu erreichen.

Besagte Umstände werden erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen eingebrachten sauerstoffreichen Gases über eine Steuerung unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal des Schmelzofens ermittelt wird, gesteuert wird.

Ein grundsätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß über die zusätzliche Sauerstoffzuführung in den Ofen eine vom Feuerungsbrenner unabhängige Sauerstoffzufuhrmöglichkeit zum Ofen besteht und durch die Steuerung, die mit einem Sollwert arbeitet, eine gute Abstimmung von im Ofen vorhandener Sauerstoffmenge und der Menge des in den Ofen eingebrachten Schmelzguts erreicht wird, wobei eine gute Abstimmung dann erreicht ist, wenn die für die eingebrachte Menge an Schmelzgut richtige, für einen sauberen Ausbrand der Abgase notwendige Menge an Sauerstoff im Ofen zur Verfügung steht.

Die Sauerstoffzufuhr kann dabei mit einer Sauerstofflanze, die gegebenenfalls gekühlt ausgebildet sein kann, ausgeführt werden. Vorzugsweise wird jedoch als Sauerstoffinjektor ein Sauerstoffbrenner in stark überstöchiometrischer Betriebsweise angewendet, wodurch sich eine weitere Förderung der erwünschten Oxidation bzw. Verbrennung besagter Schadstoffe auch und gerade in temperaturmäßig kritischen Phasen des Schmelzprozesses – Aufheizphase nach dem Chargieren – ergibt.

Bevorzugt Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schmelzen von Metallen in Drehtrommelöfen z.B. für Aluminium erwiesen. Bei diesen Öfen sind der Feuerungsbrenner und der Abgaskanal genau einander gegenüberliegend an den jeweiligen Stirnseiten der Schmelztrommel angeordnet, wodurch sich in diesen Öfen aufgrund deren Geometrie besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben und eine weitgehende Reduktion der betreffenenden Schadstoffe erreicht wird.

Anhand der Figur soll im folgenden die erfindungsgemäße Verfahrensweise mit einer zugehörigen Schmelzanlage beispielhaft näher beschrieben werden.
Die Figur zeigt einen Drehtrommelofen 1 für das Schmelzen von Aluminiumschrott 2. Eine Drehtrommel 3', die einen Schmelzraum 3 umschließt, wird einseitig mit einem auf der Trommelachse A angeordneten Feuerungsbrenner 4 beheizt, wobei die erzeugte Brennerflamme durch eine Linie 5 angedeutet ist. Eine Dossiervorrichtung 12, mit der die Menge des zuzuführenden sauerstoffreichen Gases eingestellt wird, steht über eine Steuerleitung mit einer Steuerung 11 in Verbindung. Die Steuerung 11 vergleicht einen Sollwert für die Konzentration einer Abgaskomponenet (z. B. von Sauerstoff im Abgas) mit der von einer Meßsonde 9 gemessenen Konzentration dieser Abgaskomponente und stellt die Menge des in den Ofen 1 über den Sauerstoff-Brenner 8 zuzuführenden sauerstoffreichen Gases so ein, daß der Sollwert erhalten wird.
Auf der der Brennerseite gegenüberliegenden Stirnseite der Drehtrommel 3' befindet sich eine Abzugsöffnung 6, durch die Abgase, die aus Verbrennungsgasen des Feuerungsbrenners 4 sowie Schwelgasen aus dem Schmelzgut 2 bestehen, die Drehtrommel des Schmelzofens 1 verlassen. An die Abzugsöffnung 6 für die Abgase schließt sich ein Abgaskanal 7 an, wobei axial in diesem Kanal und in Richtung Schmelzraum gerichtet ein Sauerstoff-Erdgas-Brenner 8 angeordnet ist, wobei dessen Austrittsdüse sich etwa in der Ebene der Abzugsöffnung 6 des Schmelzraums 3 befindet. Die Anordnung dieses Sauerstoff-Injektionsbrenners 8 kann variieren, wobei dieser Brenner fast um seine Eigenlänge in den Schmelzraum hineinreichend oder in den Abgaskanal zurückgezogen angeordnet sein kann. In jedem Fall ist der Sauerstoffbrenner 8 dem Feuerungsbrenner 4 entgegengerichtet und bringt somit einen Gasimpuls ein, der dem Bewegungsimpuls der vom Brenner 4 stammenden Verbrennungsgase genau entgegenwirkt und somit Gasverwirbelungen bis hin zu Gasrezirkulationen erzeugt, wie sie mit den Pfeilen in der Figur angedeutet sind.
Besonders günstig ist eine verschiebbare Unterbringung des Sauerstoffbrenners 8 im Abgaskanal 7, wodurch eine hinsichtlich der Abgaswerte optimale Positionierung des Brenners im Abgaskanal 7 bezüglich des Schmelzraums gefunden werden kann. Die ebenfalls im Abgaskanal 7 untergebrachte Meßsonde 9 wird davon nicht beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise stellt eine vergleichsweise einfach realisierbare und keine anderen Nachteile aufweisende Möglichkeit dar, mit der die Werte an schädlichen Verbindungen im Abgas bei besagten Schmelzprozessen erheblich gesenkt werden können.

Claims

Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens (1), bei dem Schmelzgut (2) in den Ofen (1) eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner (4) mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem Schmelzgut (2) angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner (4) zur Abzugsöffnung (6) im Ofen (1) strömen, wobei dem im Schmelzofen (1) strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung (6) des Schmelzofens (1) oder aus der Abzugsöffnung (6) selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum (3) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen (1) eingebrachten sauerstoffreichen Gases über eine Steuerung (11) unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird, gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffreiche Gas reiner Sauerstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr mit einem überstöchiometrisch betriebenen Brenner (8), d.h. mit einem mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Brenner (8), ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Abgaskomponente Sauerstoff im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Abgaskomponente Kohlenmonoxid im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beim Schmelzen von Metallen in Drehtrommelschmelzöfen (1), bei denen der Feuerungsbrenner (4) und der Abgaskanal (7) genau einander gegenüberliegend an den jeweiligen Stirnseiten der Schmelztrommel (3') angeordnet sind.