DE2315821A1

DE2315821A1 - Durchsink-vorerhitzer

Info

Publication number: DE2315821A1
Application number: DE2315821A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Ishikawa
Original assignee: Sumitomo Shipbuilding and Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Shipbuilding and Machinery Co Ltd
Priority date: 1972-04-03
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DE2315821B2; JPS5222351B2; FR2179020A1; FR2179020B1; JPS48100378A; US3843314A

Description

bOOü MÖNCHEN 22 MaxImHieiutraß« 43 T.l.fon 29 7103/29 6744

DIPL.-ING. A. GRÖNECKER _T._u„,_

DR.-1NG. H. KINKELDEY τ.ι« 05-283»

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DR.-ING. W, STOOKMAIR, Ae, E.ccauf..nst.oftechn.> PATENTANWÄLTE

29. März 1973 P 6241

SUMITOMO SHIPBUILDING &. MACHINERY CO., LTD. No. 2-1, Otemachi 2-chome, Chiyoda-Ku, Tokyo, Japan

Durchsink-Vorerhitzer

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Durchsink-Vorerhitzer insbesondere für Brenn- oder Röstanlagen, beispielsweise für einen Drehrohrofen bei der Zementherstellung.

Es gibt bekannte Durchcink-Vorerhitzer, in welchen durch "Vorerhitzen und Vorbrennen unter Verwendung der Abgase eines Drehrohrofens eine gewisse Kalzinierung des Rohmaterials stattfindet. Sind hierbei die dem Vorerhitzer zugeführten Abgase übermäßig heiß, mit Temperaturen von mehr als etwa 1100 ⁰C, so wird ein Teil des staubförmigen Rohmaterials

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teilweise zum Schmelzen gebracht und setzt sich dann an der Innenwandung des Vorerhitzers, deren Temperatur unter 1100 ⁰C liegt, an, so daß der Durchlaß für die Gase und das Rohmaterial nach und nach blockiert und der Betrieb der Gesamtanlage erheblich gestört wird.

Zur Vermeidung dieses ringförmigen Ansetζens des Rohmaterials wird die Temperatur der dem Vorerhitzer zugeführten Abgase dementsprechend auf einem Wert unter 1100 °C gehalten. Dadurch haben die Gasbilanz, die' Materialbilanz und die Wärmebilanz sowie die Temperaturverteilung in allen Teilen der Anlage im wesentlichen die gleichen Werte. So beträgt der Wärmeverbrauch für 1 kg Klinker etwa 800 kcal, das Hennvolumen der bei der Verwendung von Schwerölen als Brennstoff erzeugten Abgase beträgt etwa 1,2 ITm^ pro kg Klinker, der Kalzinierungsgrad am Auslaß des Vorerhitzers beträgt etwa 20%, die Temperatur an der gleichen Stelle

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beträgt etwa 800 C, die Gastemperatur am Auslaß- des Dreh— rohrofens beträgt etwa 1050 °0 und die Gastemperatur am Auslaß des Vorerhitzers liegt bei etwa 350 C.

Bei einem Drehrohrofen mit einem herkömmlichen Durchsink— Vorerhitzer wird daher nicht die gesamte verfügbare Wärmemenge der dem Erhitzer zugeführten Abgase für den Wärme— austauch verbraucht.

Die zum Dekarbonisieren von Kalkstein (CaCO₇.) erforderliche Wärmemenge beträgt für 1 kg Klinker bekanntlich etwa .4-80 kcal, also etwa die Hälfte der zum Brennen von 1 .kg Zementklinker erforderlichen Wärmemenge von etwa 800 kcal. Der Gleichge— wiehtsdruck für das Dekärbonisieren von CaCO^ bei einer Temperatur von 8^0* °C beträgt .760 mm Hg, Unter einem solchen Druck wird das Material bei Temperaturen über etwa 890 ⁰G schnell entkarbonisiert. Die Verweilzeit des Rohmaterials innerhalb des Vorerhitzers liegt je nach Art der Anlage zwischen einigen zehn und einigen hundert Sekunden. "Um ein Kalzinieren des Rohmaterials zu erreichen, muß

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dieses also in sehr kurzer Zeit auf eine Temperatur über etwa 850 ⁰G erhitzt werden. Aus den vorstehend angeführten Gründen ist die Temperatur der dem Vorerhitzer zugeführten Abgase jedoch auf einen Wert unterhalb etwa 1100 ⁰C beschränkt, so daß für das Entkarbonisieren nur ein begrenztes Temperaturgefälle von 1100 auf 850 ⁰C, also etwa 250 ⁰C nutzbar ist.

Aus diesem Grunde kann der Anteil der zum Entkarbonisieren nutzbaren Wärme in einem herkömmlichen Vorerhitzer allenfalls 25% der nutzbaren Wärme in der aus dem Vorerhitzer und dem Drehrohrofen zusammengesetzten Gesamtanlage ausmachen. \

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, einen Durchsink-Vorerhitzer für die Verwendung mit einem Drehrohrofen zu schaffen, bei welchem der Wärmeverbrauch pro kg produziertem Klinker verringert ist, bei welchem der Wirkungsgrad des Wärmeaustausche ohne Erhöhung der Abgastemperaturen am Ausgang des Drehrohrofens verbessert ist,- in welchem durch schnelle und gleichmäßige Erhitzung des Rohmaterials selbst bei kurzer Verweilzeit ein Kalzinierungsgrad von wenigstens 70% erzielbar ist und in welchem eine direkte Beheizung des Rohmaterials und damit eine Erhitzung derselben über eine Temperatur von etwa 1100 ⁰C hinaus vermieden ist.

Bei einem Durchsink-Vorerhitzer der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß ein Wärmeaustauscherturm an seiner inneren Umfangswandung einen Einlaß zum tangentialen Einblasen von Heißgasen hat und daß im unteren Teil des Wärmeaustauseherturms ein Brenner zum Erzeugen einer entlang der Längsachse des Turms verlaufenden langen Flamme angeordnet, ist.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Brenner so bemessen, daß die lange Flamme auf einen

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weniger als die Hälfte des Innendurchmessers des Wärmeaustauscherturms betragenden Durchmesser einstellbar ist.

Auf diese Weise ist die lange Flamme auf den von den umlaufenden Heißgasen umgebenden Raum beschränkt und führt dem in Form'eines zylindrischen Mantels außerhalb der umlaufenden Heißgase niedersinkenden feinkörnigen Rohmaterial eine größere Wärmemenge in Form von lungswärme zu, ohne das Material direkt zu bestreichen. Daraus ergibt sich ein beträchtlich verbesserter Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs mit dem Rohmaterial und damit ein hoher Kalzinierungsgrad auch bei kurzen Verweilzeifcen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer bekannten Anlage für die Herstellung von Zementklinker,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Anlage für die Herstellung von Zementklinker mit dem erfindungsgemäßen Vorerhitzer,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Gleichgewichtsdrücke für das Entkarbonisieren von Ga-CjE)v^T in bezug auf die Temperatur, , ::.^ '

Fig. 4 eine Querschnittansicht eines Wärmeaustauscherturms gemäß der Erfindung mit einer darin erzeugten langen Flamme und ·

Fig. 5 und 6 schematisierte und grafische Darstellungen der Gas-Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Wärmeaustauscherturms.

Fig. 1 zeigt eine Drehrohrofenanlage mit einem herkömmlichen Durchsink-Vorerhitzer 1. Diesem wird ein Rohmate-

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rial M über das Kopfteil 6 eines hohen und großen Durchmesser aufweisenden Wärmeaustauscherturm's 2 zugeführt. Am unteren Teil des Wärmeaustauscherturms 2 werden Heißgase G über einen tangentialen Einlaß 2¹ eingeblasen, ,so daß sie in einer Schraubenlinie darin aufwärts strömen und dabei das Rohmaterial erhitzen. Am. Kopfteil 6 des Turms 2 werden die Heißgase dann tangential abgeführt, wobei staubförmige Teilchen des Rohmaterials M mittels eines · Zyklons 3 aus den Heißgasen ausgeschieden werden. Die ausgeschiedenen Rohmaterialteilchen fallen in das Kopfteil des Wärmeaustauseherturms 2 zurück. Auf diese Weise kommen die Rohmaterialteilchen erneut in Umlauf im Kopfteil und gelangen schließlich nach einer gewissen Anreicherung über einen Austragsschacht 4 in einen Drehrohrofen 5.

Das Kopfteil 6, in welchem ein Einlaß 7 für das Rohmaterial M mündet, ist als verengter Wärmeaustauscherschacht ausgebildet, welcher eine Strömungsverbindung zwischen dem Wärmeaustauscherturm 2 und dem Zyklon 3 bildet. Der Zyklon 3 ist über eine Leitung 8 mit einem Absauggebläse verbunden.

Der Drehrohrofen 5 verläuft vorzugsweise leicht abwärts geneigt zum Material-Austragsende und einer dort angeordneten Kühlkammer 10 für den Zementklinker. Durch die Kühlkammer 10 hindurch ragt ein Brenner 11 in den Drehrohrofen 5 hinein.

Das dem verengten Wärmeaustauscherschacht 6 des Kopfeils über den Einlaß 7 zugeführte Rohmaterial wird von den. dem Wärmeaustauscherturm 2 vom Drehrohrofen 5 über den Einlaß 2¹ zugeführten Heißgasen in der Sehwebe gehalten und dem Zyklon 3 zugeführt. Nach der Trennung von den Heißgasen im Zyklon 3 gelangt ein Teil des Rohmaterials in den erweiterten Wärmeaustauscherschacht 2, während ein anderer Teil in den engeren Schacht 6 zurückkehrt

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und über diesen und den Zyklon erneut in Umlauf kommt, wobei ein Wärmeaustausch zwischen den heißen Abgasen des Drehrohrofens und dem umlaufenden Rohmaterial stattfindet . \

Da die Zufuhr des Bohniaterials M kontinuierlich erfolgt, nimmt die als Mischungsverhältnis bezeichnete^Konzentration des umlaufenden Eohmaterials in den Heißgasen ebenfalls kontinuierlich bis zu einem oberen Grenzwert zu. Nach Erreichen dieses oberen Grenzwertes beginnt der Überschuß des Eohmaterials M abwärts in den erweiterten Wärmeaustauscherturm 2 zu fallen. Beim Niedersinken darin wird das Eohmaterial M aufgrund der Schraubenlinienströmung der Heißgase G umhergewirbelt, wobei es sich unter der Wirkung der Fliehkraft radial auswärts zur Umfangswandung des Wärmeaustauscherturms 2 bewegt. Daraufhin durchsinkt das Eohmaterial M den Wärmeaus- tauscherturm 2 in 3?orm einer dünnen Schicht zunächst seiner inneren Umfangsflache. Dabei findet zwisehen dem Eohmaterial M und den Heißgasen G ein Wärmeaustausch statt. Da die Heißgase G aufgrund eines Gehalts an GOp und HpO von etwa 20 bis 30% ein gewisses Strahlungsvermögen aufweisen, beruht der Wärmeaustausch zu einem Teil auf Strahlung und zu einem anderen Teil auf zwangsläufiger Konvektion. Nach dem Wärmeaustausch gelangt das Eohmaterial in den Drehrohrofen 5· Für die Zufuhr der zum-Erhitzen des Eohmaterials M verwendeten heißen Abgase des Drehrohrofens zum Vorerhitzer 1 und zur Erzeugung- von deren Kreiselbewegung ist im unteren Teil -der -Umfang:siiandung^_da_s__ zylindrischen Wärmeaustauscherturms 2 ein tangentialer. Einlaß 2' vorgesehen. Wie vorstehend bereits erwähnt, soll die Temperatur der auf diese Weise eingeblasenen Heißgase 1100 ⁰C nicht übersteigen. Das dem Drehrohrofen 5 zugeführte Material wird unter Einwirkung der vom Brenner 11 erzeugten Langflamme und der dabei entstehenden Heißgase weiter erhitzt und fertiggebrannt. Dieser Vorgang ist allgemein bekannt und braucht daher hier .

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nicht weiter erörtert zu werden. Der Drehrohrofen 5 und der Brenner 11 sind mit Luft A und Brennstoff P, vorzugsweise Schweröl gespeist.

Pig. 2 zeigt einen Drehrohrofen 5 in. Verbindung mit einem

erfindungsgemäßen Vorerhitzer 1. Dieser weist im unteren Teil des .Wärmeaustauscherturms 2 einen mit Brennstoff P und Luft A gespeisten Brenner 12 zum Erzeugen einer senkrechten Langflamme 13 entlang der Achse des Turms 2 auf. Bei dieser Anordnung steigen die Heißgase in einer Kreiselbewegung in dem Raum zwischen der Langflamme 13 und der zylindrischen Schicht des niedersinkenden staubförmigen Materials M auf. Im übrigen sind der Darstellung ' nach Pig. 1 entsprechende Teile in Pig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und brauchen nicht erneut beschrieben zu werden.

Zur Bestimmung des Koeffizienten der Oberflächen-Wärme übertragung zwischen den im Wärmeaustauscherturm 2 kreisenden Heißgasen und der zylindrischen Schicht des niedersinkenden Materials sei angenommen, daß die heißen Abgase etwa 25 Mo 1% CO₂ und etwa 9,2 Mol% H₃O enthalten, daß die Temperatur der Abgase 1000 ⁰C beträgt, und daß der Durchmesser der kreisenden Gasströmung 2,5 m beträgt. Unter diesen Voraussetzungen beträgt das Emissionsvermögen der Heißgase etwa 0,25 und der Wärmestrahlungs-Übertragungsfaktor ist etwa gleich 0,2, wenn für das Rohmaterial ein Emissionsvermögen von etwa 0,5 angenommen ist. Nach dem Stefan-BoItzmannsehen Gesetz läßt sich ein Gesamt-Wärmestrahlungs-Übertragungs-Koeffizient von 67 kcal/m h C berechnen, wenn für die Materialsehicht eine Temperatur von 850 C angenommen wird. Da sich bei einer Strömungsgeschwin-fL I digkeit der Heißgase von 15 m/sec dabei für den zwangsläu- θ J" figen Wärmekonvektions Koeffinienten etwaJckcal/nrb^C er- ... gibt, wird für den Gesamtwärmeübertragungs-Koeffizienten '.[·-; j? etwa 84 kcal/m h C erhalten, woraus sich eine auf· die sj J* Flächeneinheit bezogene Wärmeübertragung von 12 600 kcal/m ^^- ~ ergibt.

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Wenn dagegen angenommen wird, daß. die Laiigf lamme 13 '' J| (Temperatur: I5OQ °C_r Emissionsvermögen: Oy$ mit einem "'=/£<! Durchmesser von 1,25 1 in Leuchtgasen G'.(Temperatur: ./-^i 1000 ⁰C, Emissionsvermögen: 0,25) liegt, die von der ■■? zylindrischen Material schicht M¹ (Töimeratur: 85Q ⁰G, . Λ Emissionsvermögen: 0,5) umgeben sina^^-scnÖJ^ eine Ge- .. ... f. samt-Wärmeübertragung (Strahlungswärmeübertragung auf p If die zylindrische Materialschicht von sowohl der Lang- . flamme 13, als auch den Leuchtgasen zuzüglich der Konvektionsw ärmeüt» er tragung zwischen-den Leuchtgasen und den zylindri-' sehen Materialschichten) bezogen auf die Flächeneinheit von 33 900 kcal/h erreicht, was dem 2,7-Fachen des für die Wärmeübertragung ohne Laiagf lamme berechneten Wertes von 12 600 kcal/h entspricht. . . - .

Im folgenden soll die Verbrennungserscheinung in dem großen föärmeaustauscherturm 2 anhand' von Fig. 5 und 6 erläutert werden. Wird in eine dem ν

Wärmeaustauscherturm 2 entsprechende zylindrische Kammer Luft A zur Erzeugung einer-kreiselnden Strömung tangential eingeblasen, so ergeben sich :die -_in Fig. & dargestellten Geschwindigkeitsprofile der Luftströmung. In Fig. 6 geben die ausgezogenen Linien die Geschwindigkeitsprofile: der Zirkularströmung und die gestrichelten Linien die der axialen Strömu3ägskompon.enten am Die Bezugszeichen ä, b und c geben die Lage der Meßstellen in Äxialrichtung an, die Abszisse den radialen Abstand von der Hittelachse 0 - O¹ und die Ordinate die Strömungsgesrchwin.-digkeit in m/sec. . -

Wie man in Fig. 6 erkennt erreicht, die Geschwindigkeit der Zirkularströmung ihren höchst Wert jeweils an einer Stelle zwischen der Mittelachse 0-0' und der IJmfangswandung der Kammer 2. Zur Mittelachse hin nimmt die Geschwindigkeit schnell ab und wird im engeren Bereich

derselben gleich Null. Stellt man also aufgrund dieser Erkenntnis die Langflamme so ein, daß ihr Durchmesser "kleiner als der halbe Innendurchmesser des Wärmeaustauscherturms ist, so lassen sich Störungen der Flamme durch die kreisende Gasströmung sowie das Mitreißen, der Flamme in der Gasströmung und'Ausbreiten derselben durch Fliehkräfte vermeiden. Eine Ausbreitung der Flamme würde nämlich dazu führen, daß die Flammenfront in direkte Berührung mit der zunächst der inneren Umfangswandung des Wärmeaustauscherturms niedersinkenden zylindrischen Materialschicht kommt und diese örtlich auf (Temperaturen über 1100 ⁰C erhitzt.

Somit schafft die Erfindung einen Durchsink-VorErhitzer für die Verwendung mit einer Anlage für die Herstellung von Zementklinker, mit einem darin angeordneten Brenner zur Verbesserung des inneren Wärmeaustausch^. Durch die Erzeugung einer Zirkularströmung eines Heißgases mit einer Temperatur von wenigser als 1100 ⁰C zwischen der vom Brenner erzeugten Flamme und dem zu erhitzenden Rohmaterial ist eine stabile Flamme erzielbar, so daß örtliche Überhitzungen des Materials vermieden sind. Mittels der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich ein ausreichender Wärmeaustausch zwischen den von einem Drehrohrofen od. dergl. zugeführten Heißgasen und dem Rohmaterial auch dann erzielen, wenn die Temperatur der Heißgase unterhalb eines vorbestimmten Werts von beispielsweise 1100 ⁰C gehalten wird.

Ein Vorerhitzer der erfindungsgemäßen Ausführung hat einen bemerkenswert hohen thermischen Wirkungsgrad und ermöglicht damit eine Verringerung des Wärmeverbrauchs pro Gewichtseinheit Klinker sowie eine Verkleinerung der zugeordneten Vorrichtung, z.B. eines Drehrohrofens.

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Der beschriebene Vorerhitzer findet nicht nur in Anlagen für die Erzeugung von Zementklinker Verwendung sondern auch in Anlagen zum Rösten feinkörniger Erze. Der letztere Verwendungszweck ist -also im Rahmen der Erfindung inbegriffen, wenngleich er vorstehend nicht ausdrücklich beschrieben ist.

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Claims

Patentansnrüclie:

f'1. ) Durchsink-Yor erhitzer insbesondere für Brenn- oder Rostanlagen, dadurch ge kennz ei chnet, daß ein Wärmeaustauscherturm (2) an seiner inneren Umfangs-Y/andung einen Einlaß (2') zum tangentialen Einblasen von Heißgasen (G) hat und daß im unteren Teil des Wärmeaustauscherturms ein Brenner (12) zum Erzeugen einer entlang der Längsachse des Turms verlaufenden langen Flamme (13) angeordnet ist.
2. Vorerhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (12) so bemessen ist', daß die lange Flamme (13) auf einen weniger als die Hälfte des Innendurchmessers des Wärmeaustauscherturms (2) betragenden Durchmesser einstellbar ist.

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