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Verfahren und Schachtofen zum Brennen von Zement, Kalk, Dolomit und
ähnlichen Stoffen sowie zum Sintern und Reduzieren von Erzen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren für den Betrieb eines Schachtofens zum Brennen von Zement,
Kalk, Dolomit und ähnlichen Stoffen, sowie auf einen Schachtofen zur Durchführung
des Verfahrens, wobei im Schachtafen ein annähernd konzentrisch angeordneter Kernkörper
mit regelbarer Kühlung, mindestens längs der wärmsten Zone des Ofenschachtes, für
viele Brennprozesse der Sinterzone, angeordnet ist. Insbesondere bezieht sich das
Verfahren auf das Brennen von: Zementrohmehl in einem Hochleistungs-Schachtofen.
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Es sind bereits Schachtöfen mit gekühltem Schacht-_ kern bekannt.
Der Zweck dieser Kerne besteht jedoch darin, eine gleichmäßige Verteilung des Gases
oder der Verbrennungsluft im Brenngut herbeizuführen. Hierfür wird das Gas oder
die Verbrennungsluft durch einen hohlen, meist zentralen. Kern dem Schachtofen von
oben oder unten zugeführt, oder die Gegenwart eines zentralen Kernes bewirkt von
sich aus eine gleichmäßigere Verteilung des gasförmigen Mediums, das zwischen dem
Brenngut strömt, indem durch die Wandreibung um den Kern aufgelockerte Randzonen
entstehen. In all diesen Fällen wird als Zweck der Kernkühlung, wenn er überhaupt
näher beschrieben wird, der Schutz der Kernmasse vor der Zerstörung durch die im
Ofen herrschende Hitze angeführt. Diese bekannten Vorschläge, einen Schachtofen.
mit einem gekühlten Kern zu versehen, sind' zu unterscheiden von dier vorliegenden
Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich auch eines kühlbaren,
zentral angeordneten Kernes. Es wird aber damit der Zweck verfolgt, die ungleichmäßige
Temperaturverteilung im nutzbaren Schachtquerschnitt auszugleichen, die vor allem
im Bereich der heißesten Zone bei größeren Schachtdurchmessern immer stärker in
Erscheinung tritt. Alle Schachtöfen verlieren Wärme durch die äußere Wandbegrenzung.
Im Bereich der wärmsten Zone kann dieser Verlust ein bedeutendes Ausmaß annehmen.
Die Wärmeleitfähigkeit der Ofencharge und dar Schachtwandung bewirken diesen Verlust.
Gemäß dem physikalischen Gesetz, d,aß Wärmeleitung nur mit einem Temperaturgefälle
hervorgerufen werden kann, muß .die Temperatur bei den bekannten Schachtöfen im
Schachtzentrum höher sein als am Rand. Angesichts der Empfindlichkeit des Brenngutes
gegen Überhitzung einerseits und der erforderlichen Mindesttemperatur zur vollständigen
Wärmebehandlung innerhalb nützlicher Frist andererseits haben sich gute Betriebsergebnissemit
Schachtöfenbisher nur bei kleinem Nutzquerschnitt und daher kleiner Produktion ergeben,
wobei solche Schachtöfen den sonst üblichen Drehofenanlagen ebenbürtig sind. Dagegen
gelang es bis heute nicht, Schachtofeneinheiten für Produktionsleistungen zu bauen,
wie sie bei den größten Drehofenanlagen verwirklicht sind, und zwar weil bei Schachtöfen
mit relativ großem Durchmesser sowohl die gleichmäßige Temperaturverteilung als
auch die gleichmäßige Verteilung der Verbrennungsluft im Nutzquerschnitt noch nicht
befriedigend gelingt und eine ständige Überwachung des Ofenganges erforderlich ist,
um gleich starken Brand des Ofengutes an allen Stellen des Schachtofenquer"schnittes
zu erzielen. Erfahrungsgemäß sind diese Schwierigkeiten bei Schachtöfen mit kleinerem
Durchmesser, z. B. 1,5 bis 1,8 m, noch beherrschbar, nehmen aber stark zu bei Durchmessern
von über 2 m. Bis heute sind die Schwierigkeiten als Folge der ungleichmäßigen Luftverteilung
betrachtet worden. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß bei
den herkömmlichen Schachtöfen, selbst bei vollkommen gleichmäßiger Luftverteilung,
eine Temperaturdiffeirenz zwischen den zentralen und wandnahen Bereichen besteht,
welche Differenz mit wachsendem Schachtdurchmesser immer größer wird. Bestmögliche
Gleichheit der Temperatur im Schachtquerschnitt wird unter Berücksichtigung der
Wärmeableitung durch die äußere Schachtwandung dann erreicht, wenn der .Kühleffekt
des Kernes dem Kühleffekt der äußeren Schachtwandung angeglichen wird. Der Wirkungsbereich
der Wandkühlung ist beschränkt. Es wird deshalb vorgeschlagen, den Abstand zwischen
den nächstgelegenen, den Schachtquerschnitt
begrenzenden Wandungen-
nicht über einen vorbestimmten Wert zu vergrößern.
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Auf den dargelegten Erkenntnissen fußend, besteht die vorliegende
Erfindung darin; daß die Intensität der Kühlung der Außenflächen. des Kernkörpers
mindestens im Bereich -der wärmsten Zone -für viele Prozesse der Sinterzo.ne - regelbar,
in dem Maße durchgeführt wird, daß deren thermische Einwirkung auf das Brenngut
angenähert dieselbe ist wie diejenige der Ofenaußenwand, derart, da,ß eine angenähert
gleiche Temperatur über den ganzen Nutzquerschnitt des Schachtes, erzielt wird.
-Der gleiche Kern bewirkt bis zu einem gewissen Grad in, bekannter Weise--auch eine
gleichmäßigere Luftverteilung im Schachtquerschnitt, so daß die Bedingungen füfr
gleiche Temperatur und möglichst gleichmäßige Luftverteilung gleichzeitig erfüllt
werden.
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Der erfindungsgemäße Schachtofen zur Durchführung dieses Verfahrens
kennzeichnet sich dadurch, daß die Intensität der Kühlung regelbar vorgesehen ist
und daß der nutzbare Querschnitt des Ofenschachtes so gestaltet ist, daß dessen
lichte, Weite zwischen den Innenflächen der Ofenaußenwand und den Außenflächen des
Kernkörpers nirgends eine Maximalgröße von etwa 2 m überschreitet. Dadurch kann
der gesamte Nutzquerschnitt des Ofenschachtes beinahe unbegrenzt vergrößert werden.
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Die geometrische Form des Nutzquerschnittes ist keineswegs an die
Kreisringform gebunden. Ringformen, deren geometrische Begrenzung aus Kombinationen
von geraden und gekrümmtem Linien, Ellipsen oder Korbbögen besteht, sind auch anwendbar.
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Für große Nutzquerschnitte wird" der Kernquerschnitt selbst beachtlich
groß. Um konstruktiven Schwierigkeiten in der Aufhängung des Kernes und Ausbildung
des normalerweise konvexen Kernfutters, welches sich wenigstens entlang der wärmsten
Zone erstreckt, zu begegnen, wird der gesamte Nutzquerschnitt nach bekannter Art
in eine Anzahl ungefähr gleiche Querschnitte derart unterteilt, daß die Innenwände
der entstehenden Teilquerschnitte nur eine Anzahl konkaver Begrenzungslinien aufweisen
und daß, im Sinne der vorliegenden Erfindung, die etwa radial verlaufenden Trennwände'
in gleicher Art und zu gleichem Zweck wie der Kern selbst durch regelbare Kühlung
beeinflußt werden.
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Damit die Kenikühlung der gestellten Anforderung genügen kann, muß
sie von allen übrigen Vorgängen im Ofen losgelöst sein und ein selbstständiges System
bilden. Dies schließt nicht aus, daß die im Kühlmittel anfallende Wärme nicht für
den Brennprozeß im Ofen weiterverwendet werden kann. In Rücksicht hierauf wird die
gewünschte Kühlwirkung des Kernes mittels eines fließenden Kühlmediums eingestellt.
Die Regulierung der Kühlungsintensität kann einzeln oder im. Kombination mit Hilfe
der Änderung der Kühlmittelmenge, Änderung der Anfangstemperatur des-Kühlmittels
und Änderung des Kühlmittelweges erreicht werden. Eine besonders wirksame Änderung
der Kühlwirkung an der Kernwand ergibt sich durch den Vertausch von Kühlmittelein-
und -auslaß, wenn die Kühlordnung des Kernes so getroffen ist, daß das Kühlmittel
die kernwandnahen Bereiche in der einen Richtung und die zentralen Hohlräume des
Kernes in entgegengesetzter Richtung durchläuft. Je nach der Strömungsrichtung wird
das Kühlmedium zuerst im Kerninnern vorgewärmt oder kalt den kernwandnahen Bereichen
zugeführt. Der Kühleffekt ist dabei sehr verschieden. Ferner ergeben sich andere
Verhältnisse für die Wandkühlung, wenn die Länge des Kühlmittelweges durch zur und
abschaltbare Strömungsquerschnitte für das Kühlmittel geändert wird.
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Mit dem regelbar gekühlten Kern werden gleichzeitig zwei Bedingungen
erfüllt: Einerseits können die thermischen Verhältnisse des Brennguts in gewünschter
Weise beeinflußt werden, und andererseits wird eine zweckmäßige Gestaltung des nutzbaren
Querschnitts erreicht, um die Temperaturerhöhung in der Mitte gegenüber den Wandbereichen
der Brenngutmassenicht zu groß werden zu lassen, was natürlich mit den absoluten
Massen des Querschnitts zusammenhängt. Durch die einstellbare Kühlung der Kernaußenflächen
wird also, der durch den Einbau eines Kernkörpers beabsichtigte Vorteil des vorgegebenen
senkrechten Abstandes zwischen den Wandungen von Schacht und Kern wirklich ausnutzbar.
Während ohne Kühlmöglichkeit naturgemäß die thermischen Verhältnisse zwischen innerer
und äußerer Wandung von baulichen Bedingungen abhängig und praktisch nicht beherrschbar
sind, ist mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ein kontinuierlicher Betrieb unter
optimalen Bedingungen möglich.
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Die Erfindung ist in beispielsweisen Ausführungen beschrieben: Die
Fig. 1 zeigt einen Schachtofen üblicher Konstruktion mit der erfindungsgemäßen.
Ausgestaltung des Ofenschachtes 1, der hier zylindrische Form aufweist. Durch eine
geeignete Beschickungsvorrichtung 2 wird das zu verarbeitende Material - normalerweise
eine Mischung des Brenngutes mit dem Brennstoff, zu Granalien oder Preßlingen geformt
- dem Ofenschacht 1 zugeführt. In der obersten in der Regel sich konisch verengenden
Zone des Schachtes erfolgt meist eine Vortrocknung des zu verarbeitenden Materials
durch heiße Abgase, die durch diese Zone hindurchgeleitet werden. Die ganze Schachtfüllung
wandert mit einer durch die Austragsvorrichtung 3 bestimmten Geschwindigkeit von
oben nach unten durch den Ofenschacht 1 und gelangt nach dem Durchlaufen der Vortrocknungszone
in die eigentliche Sinterzone. In dieser erfolgt die Verbrennung der Brennstoffbeimengungen
im zu verarbeitenden Material, wobei die hierfür erforderliche Verbrennungsluft
am unteren Schachtende über eine Rohrleitung 4 zugeleitet wird und gleichzeitig
zur Kühlung der unteren Zonen der gesinterten Ofenfüllung dient.
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Erfindungsgemäß ist in den Schachtofen nach Fig. 1 ein Kernkörper
5 eingebaut, vorzugsweise angenähert konzentrisch zum Ofenschacht und einen ringförmigen
Nutzquerschnitt mit überall gleichem Abstand zwischen Kernkörperaußenwand 6 und
Schachtinnenwand 7 bildend. In der beispielsweisen Ausführung nach Fig. 1 erstreckt
sich der Kernkörper 5 nur längs eines Teils des gesamten Ofenschachtes 1, mindestens
aber längs der S.interzo,ne und des ersten Teils der nach unten sich anschließenden
Kühlzone, und besteht aus einem zylindrischen Metallhohlkörper. Dieser Metallhohlkörper
ist etwa längs der Sinterzone im Durchmesser verringert und weist eine feuerfeste
Verkleidung 8 auf. Der Metallhohlkörper ist mit doppelten Außenwänden versehen,
in deren Zwischenraum 9 ein Kühlmittel fließt, beispielsweise Wasser oder Kühlluft.
Das Kühlmittel wird über das Rohr 10 durch den Kerukörperinnenraurn zugeführt,
steigt im Zwischenraum 9 dicht an der Außenwandung nach oben, dabei diese sowie
die feuerfeste Verkleidung 8 kühlend, und verläßt den Kernkörper 5 über das Rohr
11. °" ^' Der Schachtofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
ist natürlich keineswegs
auf die konstruktive Ausführung nach Fig.1
beschränkt, sondern in einer großen Zahl von Bauarten realisierbar, von denen in
den Fig.2 bi.s 6 einige weitere Beispiele schematisch wiedergegeben sind.
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Die Fig. 2 zeigt -eine Ausführung eines kreisrunden Ofenschachtes
mit einer äußeren Wandung 12 und einer konzentrisch angeordneten inneren Wandung
13, die einen hohlen Kernkörper bildet und einen ringförmigen Nutzquerschnitt 14
ergibt, der im Betrieb die Materialsäule aufnimmt. Die Kühlung erfolgt hier beispielsweise
durch Längskanäle 15 der inneren Wandung, in denen das Kühlmittel von oben nach
unten und dann im Kernkörperi.nnenraum zurück nach oben strömt und abfließt. Natürlich
kann die Kühlung der Wandung des Kernkörpers auch auf andere geeignete Weise, beispielsweise
durch profilierte Steine mit nach innen offenen Längsrinnen, durchgeführt -werden.
Ebenso mu.ß der Kernkörper keineswegs mit zentralem Hohlraum versehen sein.
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Fig.3 zeigt ovalen Ofenquerschnitt mit ovalem Kernkörper 16. Der Nutzquerschnitt
17 ist ein ovaler Ring überall gleichen Wandabstandes. Vorteilhafterweise wird bei
dieser Ausführung eine Querschnittsform gewählt, deren Begrenzungslinien sogenannte
Korbbögen bilden, das sind tangential ineinander übergehende Kreisbögen mit verschiedenen
Radien. In der Regel begnügt man sich mit zwei verschiedenen Radien. Eine derartige
Gestaltung des Schachtquerschnittes ermöglicht die Errichtung desselben aus Formsteinen
18 a bzw. 18 b. Der Kernkörper ist hier beispielsweise massiv ausgeführt
und weist Längskanäle 19 für das Kühlmittel auf.
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Eine weitere Ausführung des Schachtofens ist in Fig. 4 dargestellt.
Hier besteht der ringartig gestaltete Nutzquerschnitt aus teils geradlinig, teils
krummlinig begrenzten -Flächenstücken, beispielsweise aus den zwei Halbkreisringflächen.20
und den zwei zwischen ihnen gelegenen Rechteckflächen 21. Der konzentrisch angeordnete
Kernkörper 22 ist mit Längskanälen 23 für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel
ausgestattet. Bei genügender Breite des Kernkörpers kann derselbe auch als Hohlkörper
ausgebildet werden..
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Eine beispielsweise Ausführung mit einer Unterteilung in drei gleich
große einzelne Nutzquerschnitte zeigt die Fig. 5 im Längsschnitt und die Fig.6 im
Grundriß. Im oberen Teil des hier beispielsweise kreisrunden Ofenschachtes sind
drei radial gerichtete Trennwände 25 vorgesehen, die von der Außenwandung 24 des
Ofenschachtes ausgehen und längs. der Schachtachse zusammenstoßen.. Zwischen den
je 120° Winkelgrade gegeneinander versetzt angeordneten Trennwänden 25 und der Außenwandung
24 entstehen drei einzelne Schachtabschnitte 26 mit sektorförmigen Nutzquerschnitts.flächen.
Durch geeignet gewählte Wandstärken für die Trennwände und entsprechende Ausgestaltung
des längs der Schachtachse verlaufenden Kernteiles 27 kann bei jedem Durchmesser
des kreisrunden Schachtes der höchstzulässige. senkrechte Abstand, zwischen den
nächstgelegenen Wandungen der einzelnen Schachtabschnitte 26 gewährleistet werden.
Der längs der Schachtachse verlauhenden, den Trennwänden 25 gemeinsame Kernteil
27 weist genügend großen Querschnitt auf und ist mit einem Längskanal 28 versehen,
während die Trennwände 25 je einen Flachkanal29 für das Kühlmittel besitzen.
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.Natürlich richtet sich die Anzahl der vorgesehenen, radial gerichteten
und gekühlten Trennwände ganz nach den Dimensionen des Ofenschachtes. Bei kleinerem
Durchmesser kann beispielsweise eine durch die Schachtachse verlaufende mittlere
Querwand verwendet und der Ofenschacht in nur zwei gleich große Abschnitte eingeteilt
werden. Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, eine Vielzahl radial gerichteter
gekühlter Trennwände mit einem gemeinsamen Hohlkern zu verwenden.
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Die Fig. 5 läßt erkennen, daß bei dieser beispielsweisen Ausführung
des erfindungsgemäßen Ofenschachtes die Unterteilung des Schachtinnenraumes in drei
Längsabschnitte nur im oberen Schachtteil durchgeführt ist und die drei Trennwände,
sich gewölbeartig gegen die Schachtaußenwand 24 abstützend, an den mit 30 bezeichneten
Stellen enden. Die Trennwände 25 sind in diesem Beispiel nur im Bereich der Sinterzone
vorgesehen und erstrecken sich eventuell noch nach oben und unten bis in die Nachbarzonen.