DE19613570C2

DE19613570C2 - Einrichtung zum Ausbrennen von Ofengasen in Schachtschmelzöfen

Info

Publication number: DE19613570C2
Application number: DE19613570A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Feustel; Joachim Mallon; Michael Schaaf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2016-04-05
Also published as: DE19613570A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum vollständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen in Schachtschmelzöfen, die mit primären Energieträgern, insbesondere Öl, Gas oder Koks, befeuert werden.

Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, dass zum Schmelzen von festen metallischen Einsatzstoffen bei mit Öl, Gas oder Koks befeuerten Schmelzöfen diese Energieträger durch das Verbrennungsmittel Luft oder in spe ziellen Fällen durch reinen Sauerstoff oder durch mit Sauerstoff angereicherter Luft verbrannt werden. Dabei treten durch thermodynamische und kinetische Fak toren bestimmte, verbrennungstechnische und metallurgische Reaktionen haupt sächlich zwischen den Phasen Gas-Gas, Gas-Schmelze, Gas- Feststoff, Schmel ze-Schmelze und Schmelze-Feststoff auf, die bei Anwesenheit kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe heiße, CO-haltige Ofengase bilden. Diese strömen unter Abgabe ihrer fühlbaren Wärme durch die Schüttung der aufzuschmelzenden, festen Einsatzstoffe und müssen vor dem Austritt aus dem Schmelzofen in die Um gebungsatmosphäre so ausgebrannt werden, dass keine die Umweltschutz grenzwerte überschreitenden Schadstoffe abgegeben werden. Die Effektivität des Ausbrennens ist aber von prozess- und ofenspezifischen Randbedingungen und dem strukturellen Aufbau der von den Einsatzstoffen gebildeten Schüttung ab hängig. Solche Randbedingungen sind die Temperatur- und Volumenzündgrenze, die Strömungsgeschwindigkeiten und die Dichte- bzw. Viskositätsverhältnisse der Ofengaskomponenten untereinander, welche zur Strähnenbildung führen. Weiter hin werden diese prozess- und ofenspezifischen Randbedingungen durch techno logisch oder produktionsorganisatorisch bedingte Betriebsweisen des Schmelz ofens, wie dem "Anschmelzen" zu Beginn einer Schmelzreise, dem Schmelzen mit nominaler Schmelzleistung oder mit starken Abweichungen davon, dem Chargierungsvorgang oder dem "Abschmelzen" zum Ende einer Schmelzreise beeinflusst. Alle Betriebsweisen können zu Abweichungen von den optimalen Randbedingungen führen, die aber für ein effektives Ausbrennen der unverbrann ten Ofengaskomponenten notwendig sind. Praktisch treten also während einer Schmelzreise solche Zeiträume auf, in denen kein effektives, vollständiges Aus brennen CO-haltiger Ofengase möglich ist und in denen damit die Umweltschutz grenzwerte für die Emission von Schadstoffen überschritten werden.

Allgemein bekannt ist nach dem Stand der Technik ebenfalls, dass Gase mit Brennereinrichtungen, z. B. mit Gasstrahlverdichtern, in Öfen zugeführt werden (W. Heiligenstädt, "Wärmetechnische Rechnungen für Industrieöfen, 3. Auflage 1951, Verl. Stahleisen mbH Düsseldorf, S. 100 ff.).

Nachteilig ist hier, dass die konstruktive Auslegung derartiger Brennereinrich tungen von verschiedenen, sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren abhängt. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gemische wird von der Mischgeschwindigkeit zwischen Brennstoff und Verbrennungsmittel bestimmt. Die Mischgeschwindigkeit wird wiederum erheblich von der kinetischen Energie, von der Ausbildung und Stromstärke der Stoffstromarten, von der Strom richtung zueinander, von der Querschnittsform der Stoffstromarten, von der Stoff stromzahl und ihren Mischflächen beeinflusst und stellt somit das wesentliche Kri terium für die Beurteilung verschiedener Bauarten von Brennereinrichtungen dar. In jedem Fall sind detaillierte Kenntnisse zur Stoffstromart (Gasart), zum Wärme gut, zur Ofengestalt und zur Prozesstechnologie für die Auswahl und konstruktive Auslegung von Brennereinrichtungen notwendig, wobei praktische Erfahrungen des Anwenders mit dem wärmetechnisch-technologischen Gesamtprozess aus schlaggebend sind.

In AT 26 18 25 ist ein Heißluftkupolofen mit Verbrennungskammer dargestellt, bei dem die Verbrennungskammer zwischen der Beschickungsöffnung und dem wärmestrahlenden Kamin-Rekuperator angeordnet ist und bei dem die zusätz liche Luft für die vollkommene Verbrennung der restlichen Gichtgase aus dem Kupolofen durch einen Stutzen unter Druck in den Mischraum der Verbrennungs kammer in Abhängigkeit von der Gichtgasmenge und deren chemischer Zusam mensetzung geführt wird.

Weiterhin ist durch DD 211 399 eine Vorrichtung zur energetischen Verwertung von Kupolofenabgasen mit einer Brennkammer und tangentialer Einleitung von Verbrennungsluft bekannt, bei der über der Gicht des Kuponofens eine sich im unteren und oberen Teil verjüngende ringförmige Brennkammer angeordnet ist und in die im unteren verjüngten Teil zentrisch der Kuponofen mündet. Mittig über der Kuponofenmündung sind im sich verjüngenden Teil mehrere zu einem Drall körper ausgebildete Düsen zur regelbaren tangentialen Zuführung der Verbren nungsluft in den Brennraum angeordnet. Beide technische Lösungen haben den Nachteil, dass zusätzlich im Kuponofenschacht oberhalb der Begichtungsöffnung und gegebenenfalls unterhalb des Rekuperators materialaufwendige, anlagen technische und das Strömungsprofil beeinflussende Veränderungen realisiert werden müssen.

In DE 43 24 699 C2 werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung von Ofengasen in einem koksbeheizten Schachtofen beschrie ben, bei denen die im Schachtofen entstehenden, nur unvollständig ausgebrann ten, staubhaltigen Ofengase aus einer Abzugsebene oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone im Bereich der Vorwärmzone mittels einer Absaugeinrichtung, beispielsweise einem Gasstrahlverdichter, aus dem Schachtofen vollständig ab gezogen werden, dann in zwei Stufen mit Sauerstoff in einer extern vom Ofen angeordneten Brennkammer unter Zumischung eines vollständig ausgebrannten und auf Temperaturen kleiner 200°C abgekühlten Ofengases vollständig nach verbrannt und in die Schüttung wieder zugeführt werden. Alternativ zum mit rei nem Sauerstoff betriebenen Gasstrahlverdichter kann die zweite Stufe der exter nen Nachverbrennungskammer als Sauerstoffbrenner, z. B. als Heißgasbrenner, ausgebildet sein und auf der Druckseite des Ventilators mit der Abgasleitung ver bunden werden. Außer einer vollständigen Verbrennung der unverbrannten Ofen gasbestandteile über den gesamten Schachtquerschnitt des Schmelzofens erfolgt eine optimale Vorwärmung der Schüttsäule oberhalb der Wiederzuführungsebe nen der vollständig ausgebrannten Gase. Dies soll zu einer erhöhten energeti schen Effektivität des Vorwärmprozesses, zu einer Rückführung von Ofengas staubanteilen in die Schüttung, zu einer Verringerung der in der Entstaubung zu verarbeitenden Menge Gichtgas und damit zu einer Minimierung der Gaswirt schaft incl. der Entstaubung führen. Nachteilig sind jedoch der hohe technische und regelungstechnische Aufwand für die zweistufige Nachverbrennungskammer und der hohe Investitionsaufwand für die Einrichtung.

Durch DE 29 04 855 C3 ist auch ein koksbeheizter Kupolofen bekannt, bei dem oberhalb der Winddüsen Abzugsvorrichtungen installiert sind, über die heiße Gase mit einer oberhalb der Selbstzündtemperatur des Kohlenmonoxides liegen den Temperatur aus dem Kupolofen abgezogen und diese Gase durch den Zünd brenner oberhalb der Schüttung wieder in den Kupolofen injiziert werden. Nachteilig ist, dass durch den beanspruchten Abzug der heißen Prozessgase eine Verschlechterung der Vorwärmung der Schüttung oberhalb der Winddüsen und der Abzugsebene eintritt und das Schmelzen energetisch uneffektiver wird. DE 43 38 985 C2 beansprucht einen kokslosen, mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen befeuerten Herd-Schacht-Ofen zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetallischen Werkstoffen, der mit einem wassergekühlten Halterost und ei ner Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung unverbrannter Gichtgasbe standteile versehen ist. Zur Minimierung der NO_X-Emission im Abgas wird die Brennkammer eines mit Sauerstoff betriebenen Gas- oder Öl-Brenners direkt über eine Gasleitung mit einer Ofengas-Absaugvorrichtung verbunden, die unter halb der maximalen Schüttsäulenhöhe angeordnet ist. Damit kann eine Teilmen ge des Ofengases < 400°C als Kreislaufgas geführt und eine Kühlwirkung der heißen Brennergase bewirkt werden, wodurch die temperaturabhängige NO_X- Bildung und somit die NO_X-Beladung des in den Ofen eintretenden Brennergases minimierbar sein soll. Nachteilig ist, dass durch diese Gasführung aus dem obe ren Teil der Schüttung in den unteren Teil der Schüttung keine so starken Verän derungen der die Strähnenbildung verursachenden Randbedingungen erfolgen. Eine vollständige Nachverbrennung der Ofengase oberhalb der Schüttung kann somit nicht sicher gewährleistet werden.

Durch EP O 54 40 44 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen einer Charge im Ofen mit einer Nachverbrennung der Abgase im oberen Ofenteil durch Einblasen eines Sauerstoffgases mittels Lanzen, die in einer horizontalen Ebene tangential zur Ofenachse einander entgegengesetzt angeordnet sind, be kannt. Nachteilig ist hier, dass durch die gewählte Anordnung der Sauerstofflan zen nur im Randbereich des Ofenschachtes günstige Verwirbelungen von Sauer stoff und Ofengasen möglich sind und damit die Ofengasbestandteile über den Schachtquerschnitt nicht effektiv ausbrennen können.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, eine Einrichtung zum voll ständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen in Sachtchmelzöfen, die mit pri mären Energieträgern, wie Öl, Gas oder Koks, gefeuert werden, zu schaffen, die mit geringen Kosten und minimalem technischen und regelungstechnischen Auf wand ein vollständiges Ausbrennen der Ofengase über den Schachtquerschnitt bei allen prozess- und ofenspezifischen Randbedingungen sowie allen Betriebs weisen garantiert.

Die Einrichtung ist dadurch charakterisiert, dass die Brennkammer 13 direkt am Ofenschacht innerhalb der feuerfesten Zustellung des Ofenschachtes angeordnet ist und sich bis innerhalb des Ofenschachtes erstreckt und außenseitig des Ofen schachtes über einen Strahlsauger 8 mit einer Mischkammer 12 verbunden ist, in die direkt die Rohrleitung 4 für unverbrannte Ofengase, die mit der Ofengasab saugöffnung 3 verbunden ist, mündet und in die eine Lufttreibdüse 10 mündet sowie eine Rohrleitung 11 für die Zuführung alternativer Brennstoffe. Durch die Zuführung von Ofengasen in die Mischkammer 12 zur Bildung eines Brennstoff- Verbrennungsmittel-Gasgemisches verringern sich die Strömungsgeschwindigkei ten der Ofengase in der Schüttung.

Damit entsteht der Vorteil, dass sich die Neigung zur Strähnenbildung der Ofen gase verringert und sich das Mischungsverhalten der Ofengase und der durch die Chargieröffnung in den Ofenschacht einfallenden kalten Falschluft der Umgebung verbessert.

Vorteilhafterweise ermöglicht der vom Strahlsauger 8 erzeugte Saugdruck an der Ofengasabsaugöffnung 3 einen Transport der Ofengase in die Mischkammer 12 ohne mechanisch bewegte Transporteinrichtungen, wie z. B. Lüfter. Die erfin dungsgemäße Einrichtung ist technisch und regelungstechnisch einfach gestaltet und ermöglicht ein kostengünstiges, von den Randbedingungen unabhängiges vollständiges Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen.

In der Mischkammer 12 werden in Abhängigkeit von der Temperatur und des CO-Gehaltes der zugeführten Ofengase zwecks Bildung eines zündfähigen Gas gemisches alternative Brennstoffe, z. B. Erdgas, und ein Verbrennungsmittel, z. B. Luft, zugemischt. Dann wird das Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisch durch die Wirkungsweise des Strahlsaugers 8 mit einer Luftzahl größer/gleich 1 in die Brennkammer 13 des Schachtschmelzofens eingeblasen. Hier erfolgt die Zündung des Gasgemisches durch ein elektrisches Zündpotential, beispielsweise durch Zündelektroden. Nach einer Aufheizung der Brennkammer 13 auf Tempe raturen größer der Zündtemperatur des Gasgemisches erfolgt nach einer Schmelzunterbrechung und dem erneuten Anschmelzen die Zündung des Gas gemisches alternativ, d. h. automatisch durch die heiße Brennkammer 13.

Die Flamme in der Brennkammer 13 wirkt gleichzeitig als Stützbrenner für die bei instabilen Verhältnissen, wie z. B. nach der Chargierung, aus der Schüttung aus tretenden unverbrannten Ofengase.

Vorteilhafterweise wird damit sowohl bei stabilen als auch bei instabilen thermo dynamischen, kinetischen, prozess- und ofenspezifischen Randbedingungen ein vollständiges Ausbrennen der Ofengase gewährleistet.

Weiter vorteilhaft ist, dass die Effektivität der Heißwinderzeugung in den nachge schalteten Heißwinderzeugern, wie beispielsweise Radiatoren, verbessert wird und die Forderungen der Umweltschutzgesetzgebung sicher bei allen Betriebszu ständen eingehalten werden. Ebenfalls von Vorteil ist, dass durch die einfache Gestaltung der Einrichtung ein Nachrüsten vorhandener Schachtschmelzöfen oh ne Schwierigkeiten möglich ist.

Herkömmliche Lüfter erzeugen und stellen die Treibluft des Strahlsaugers bereit. Alternativ kann für den Strahlsauger sauerstoffangereicherte Luft oder reiner Sauerstoff als Treibgas verwendet werden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung des koksbeheiz ten Heißwindkupolofens mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Es ist dargestellt, dass eine oberhalb der Chargieröffnung 14 in der Ausmauerung des Ofenschachtes 2 angeordnete Brennkammer 13 außenseitig am Schacht schmelzofen über einen Strahlsauger 8 mit einer Mischkammer 12 verbunden ist und direkt in die Mischkammer 12 eine mit der Ofengasabsaugöffnung 3 verbun dene Rohrleitung 4, eine Rohrleitung 11 für die Zuführung alternativer Brennstof fe, insbesondere Erdgas oder Öl oder Festbrennstoffstäube und eine Lufttreibdü se 10 für ein Treibgas, insbesondere für Luft oder Sauerstoff oder sauerstoffange reicherte Luft, führen. Zur Regelung des in die Mischkammer 12 zuzuführenden Ofengases aus der Ofengasabsaugöffnung 3 hat die Rohrleitung 4 eine Regel klappe 5, eine Venturidüse 6 und einen Kompensator 7. Die Brennkammer 13 besteht vollständig aus einem feuerfesten Material. Ofenseitig ist die Brennkam mer 13 mit einem Überstand zur Ausmauerung des Ofenschachtes angeordnet. Am Schacht 2 des Ofens ist eine Füllstandsanzeige 1 angeordnet. Die Erfindung soll am Beispiel des Ausbrennens CO-haltiger Ofengase in einem koksgefeuerten Heißwindkupolofen näher erläutert werden.

Der Schacht 2 des Heißwindkupolofens hat eine lichte Weite von 1120 mm und arbeitet mit einer nominellen Schmelzleistung von 8 t Flüssigeisen/h. Der Füllstand wird durch die Füllstandsanzeige 1 überwacht. Bei einem Kokssatz von 15% und einem Kalksteinsatz von 36% des Kokssatzes entsteht mit einer Verbrennungswindmenge von 6492 m³/h, die über die Winddüsen im Bereich der Schmelzzone zugeführt wird, eine Ofengasmenge von 7540 m³/h. Das Ofengas besteht aus 17% CO, 11,5% CO₂, 0,8% H₂, 2,6% H₂O und 68,1% N₂. Durch die Lufttreibdüse 10, die mit einem Lüfter 9 verbunden ist, werden 1854 Nm³ Luft der Mischkammer 12 zugeführt und der Strahlsauger 8 in Betrieb genommen. Gleich zeitig erfolgt durch die Rohrleitung 11 eine Zuführung von 10 m³ Erdgas/h, und durch die Rohrleitung 4 werden unverbrannte Ofengase in die Mischkammer 12 zur Bildung eines Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisches eingebracht. Die Gasgemischmenge beträgt 5258 m³, hat eine Temperatur von 169°C und besteht aus 7,37% O₂, 10,98% CO, 0,54% H₂, 7,4% CO₂, 0,19% CH₄ und 73,52% N₂ + H₂O. Dieses Gasgemisch wird dann vom Strahlsauger 8 mit einer Geschwindigkeit von 33 m/s in die Brennkammer 13 eingeblasen und durch eine nicht dargestellte Zündelektrode elektrisch gezündet. Das dabei entstehende vollständig ausge brannte Abgas mit einer Zusammensetzung von 19,6% CO₂, 2,5% H₂O, 1,5% O₂ und 76,4% N₂ heizt bei einem längeren Betrieb das Feuerfestmaterial der Brenn kammer 13 auf < 800°C auf, so dass die Brennkammer 13 nach technologischen oder produktionsorganisatorischen kurzen Schmelzunterbrechungen alternativ als Zündpotential zur Verfügung steht. Durch die Zuführung von Ofengasen in die Mischkammer 12 verringert sich die im Ofenschacht 2 aus der Schüttungsoberflä che austretende Ofengasmenge. Dies führt wiederum zur Verringerung der Ofen gasgeschwindigkeiten und somit zur intensiveren Vermischung und vollständigen Verbrennung mit der durch die Chargieröffnung 14 in den Ofenschacht 2 einfal lenden Falschluft.

Bezugszeichenliste

1

Füllstandsanzeige

2

Ofenschacht

3

Ofengasabsaugöffnung

4

Rohrleitung

5

Regelklappe

6

Venturidüse

7

Kompensator

8

Strahlsauger

9

Lüfter

10

Lufttreibdüse

11

Rohrleitung

12

Mischkammer

13

Brennkammer

14

Chargieröffnung

Claims

Einrichtung zum vollständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen in Schachtschmelzöfen, die mit primären Energieträgern, insbesondere Öl, Gas oder Koks befeuert werden, bestehend aus einer oberhalb der Chargieröffnung am Schachtschmelzofen angeordneten Brennkammer mit Zuführungseinrichtun gen, insbesondere einer Düse, zur geregelten Zugabe von Luft und einer Rohrlei tung für den Transport von CO-haltigen Prozessgasen und einer Zündeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (13) direkt am Ofenschacht innerhalb der feuerfesten Zustellung des Ofenschachtes angeordnet ist und sich bis innerhalb des Ofenschachtes erstreckt und außenseitig des Ofen schachtes über einen Strahlsauger (8) mit einer Mischkammer (12) verbunden ist, in die direkt die Rohrleitung (4) für unverbrannte Ofengase, die mit der Ofengas absaugöffnung (3) verbunden ist, mündet und in die eine Lufttreibreibdüse (10) mündet sowie eine Rohrleitung (11) für die Zuführung alternativer Brennstoffe.