DE2315821B2

DE2315821B2 -

Info

Publication number: DE2315821B2
Application number: DE2315821A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Tokio Ishikawa
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1972-04-03
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1978-06-01
Also published as: FR2179020B1; DE2315821A1; US3843314A; JPS5222351B2; FR2179020A1; JPS48100378A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchsink-Vorerhitzer, insbesondere für Brenn- oder Röstanlagen, mit einem Wärmeaustauscherturm, der an seinem Kopfteil eine Rohmaterialzufuhröffnung und an seiner inneren Umfangswandung eine Gaszufuhröffnung zum tangentialen Einblasen von Heißgasen hat.

Ein solcher z. B. aus der DT-AS 14 08 995 und der DT-OS 20 32 894 bekannter Durchsink-Vorerhitzer bewirkt durch Vorerhitzen und Vorbrennen mit Hilfe der Abgase eines Drehrohrofens eine gewisse Kalzinierung des Rohmaterials. Sind dabei die dem Vorerhitzer zugeführten Abgase übermäßig heiß, mit Temperaturen von mehr als etwa HOO⁰C, so wird ein Teil des staubförmigen Rohmaterials teilweise zum Schmelzen gebracht und setzt sich dann an der Innenwandung des Vorerhitzers, dessen Temperatur unter 1100° C 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 Ansetzens 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 Nennvolumen der bei der Verwendung von Schwerölen als Brennstoff erzeugten Abgase beträgt etwa 1,2 Nm³ pro kg Klinker, der Kalzinierungsgrad am Auslaß des Vorerhitzers beträgt etwa 20%, die Temperatur an der gleichen Stelle beträgt etwa 800° C, die Gastemperatur am Auslaß des Drehrohrofens beträgt etwa 1050° C 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 Wärmeaustausch verbraucht.

Die zum Dekarbonisieren von Kalkstein (CaCOa) erforderliche Wärmemenge beträgt für 1 kg Klinker bekanntlich etwa 480 kcal, also etwa die Hälfte der zum Brennen von 1 kg Zementklinker erforderlichen Warmemenge von etwa 800 kcal. Der Gleichgewichtsdruck für das Dekarbonisieren von CaCO3 bei einer Temperatur von 89O⁰C beträgt 760 mm Hg. Unter einem solchen Druck wird das Material bei Temperaturen über etwa 890°C 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 dieses also in sehr kurzer Zeit auf eine Temperatur über etwa 850°C erhitzt werden. Aus den vorstehend angeführten Gründen ist die Temperatur der dem Vorerhitzer zugeführten Abgase jedoch auf einen Wert unterhalb etwa UOO⁰C beschränkt, so daß für das Entkarbonisieren nur ein begrenztes Temperaturgefälle von 1100 auf 850⁰C, also etwa 250° C nutzbar ist.

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

Aus der DT-OS 19 34 389 ist ein Durchsink-Vorerhitzer bekannt, bei dem die Abgase aus einem als Brennaggregat dienenden zylindrischen Teil einer kegelförmigen Zyklonvorrichtung tangential in den Wärmeaustauscherturm eingeblasen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Durchsink-Vorerhitzer der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß der Wärmeverbrauch pro kg produziertem Klinker verringert, der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches ohne Erhöhung der Abgastemperaturen am Ausgang des Drehrohrofens verbessert und durch eine schnelle und gleichmäßige Erhitzung des Rohmaterials auch bei kurzer Verweilzeit ein Kalzinierungsgrad von wenigstens 70% erzielbar ist.

Bei einem Durchsink-Vorerhitzer der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im unteren Teil des Wärmeaustauscherturms 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 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 umgebenen Raum beschränkt und führt dem in Form eines zylindrischen Mantels außerhalb der umlaufenden Heißgase niedersinkenden feinkörnigen Rohmaterial eine größere Wärmemenge in Form von Strahlungswärme zu, ohne das Material direkt zu bestreichen, wodurch eine direkte Beheizung des Rohmaterials und damit eine Erhitzung desselben über eine Temperatur von etwa 1100⁰C hinaus vermieden ist. Daraus ergibt sich ein beträchtlich verbesserter Wirkungsgrad des Wärmeaustausches mit dem Rohmaterial und ein hoher Kalzinierungsgrad auch bei kurzen Verweilzeiten.

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

F i g. 1 eine Anlage für die Herstellung von Zementklinker mit dem neuen Vorerhitzer,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Gleichgewichtsdrücke für das Entkarbonisieren von CaCO₃ in bezug auf die Temperatur,

Fig.3 einen Querschnitt eines Wärmeaustauscherturms mit einer darin erzeugten langen Flamme und

F i g. 4 und 5 schematisierte und grafische Darstellungen der Gas-Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Wärmeaustauscherturms.

F i g. 1 zeigt eine Drehrohrofenanlage mit einem

Durchsink-Vorerhitzer 1. Diesem wird ein Rohmaterial M über das Kopfteil 6 eines hohen und großen Durchmesser aufweisenden Wärmeaustauscherturms 2 zugeführt Am unteren Teil des Wärmeaustauscherturms 2 werden Heißgase G über einen tangentialen Einlaß 2' 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 Wärmeaustauscherturms 2 zurück. Auf diese Weise kommen die Rohrnaterialteilchen 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 9 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 Kopfteils über den Einlaß 7 zugeführte Rohmaterial wird von den dem Wärmeaustauscherturm 2 vom Drehrohrofen 5 über den Einlaß 2' zugeführten Heißgasen in der Schwebe 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 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 Rohmaterials M kontinuierlich erfolgt, nimmt die als Mischungsverhältnis bezeichnete Konzentration des umlaufenden Rohmaterials in den Heißgasen ebenfalls kontinuierlich bis zu einem oberen Grenzwert zu. Nach Erreichen dieses oberen Grenzwertes beginnt der Überschuß des Rohmaterials M abwärts in den erweiterten Wärmeaustauscherturm 2 zu fallen. Beim Niedersinken darin wird das Rohmaterial 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 Rohmaterial M den Wärmeaustauschern^ m 2 in Form einer dünnen Schicht zunächst seiner inneren Umfangsfläche. Dabei findet zwischen dem Rohmaterial Mund den Heißgasen G ein Wärmeaustausch statt. Da die Heißgase G aufgrund eines Gehalts an CO2 und H2O 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 Rohmaterial in den Drehrohrofen 5. Für die Zufuhr der zum Erhitzen des Rohmaterials M verwendeten heißen Abgase des Drehrohrofens 5 zum Vorerhitzer 1 und zur Erzeugung von deren Kreiselbewegung ist im unteren Teil der Umfangswandung des zylindrischen Wärmeaustauscherturms 2 ein tangentialer Einlaß 2' vorgesehen. Wie vorstehend bereits erwähnt, soll die Temperatur der auf diese Weise eingeblasenen Heißgase 1100° C 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 nicht weiter erörtert zu werden. Der Drehrohrofen 5 und der Brenner 11 sind mit Luft A und Brennstoff F, vorzugsweise Schweröl, gespeist.

Der neue Vorerhitzer 1 weist im unteren Teil des Wärmeaustauscherturms 2 einen mit Brennstoff Fund 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 den Raum zwischen der Langflamme 13 und der zylindrischen Schicht des niedersinkenden staubförmigen Materials M auf. Im ürigen sind der Darstellung nach F i g. 1 entsprechende Teile in F i g. 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und brauchen nicht erneut beschrieben zu werden.

Zur Bestimmung des Koeffizienten der Oberflächen-Wärmeübertragung zwischen den im Wärmeaustauscherturm 2 kreisenden Heißgasen und der zylindrischen Schicht des niedersinkenden Materials sei angenommen, daß die heißen Abgase etwa 25 Mol% CO2 und etwa 9,2 Mol% H2O enthalten, daß die Temperatur der Abgase 1000° C 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-Boltzmannschen Gesetz läßt sich ein Gesamt-Wärmestrahlungs-Übertragungs-Koeffizient von 67 kcal/m²h°C berechnen, wenn für die Materialschicht eine Temperatür von 850° C angenommen wird. Da sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Heißgase von 15m/sec dabei für den zwangsläufigen Wärmekonvektions- Koeffizienten etwa 17 kcal/m³h°C ergibt, wird für den Gesamtwärmeübertragungs-Koeffizienten etwa 84kcal/m²h°C erhalten, woraus sich eine auf die Flächeneinheit bezogene Wärmeübertragung von 12 600 kcal/m²h ergibt.

Wenn dagegen angenommen wird, daß die Langflamme 13 (Temperatur: 1500⁰C, Emissionsvermögen: 0,7) mit einem Durchmesser von 1,25 m in Leuchtgasen C (Temperatur: 1000°C, Emissionsvermögen: 0,25) liegt, die von der zylindrischen Materialschicht M'(Temperatur: 850⁰C, Emissionsvermögen: 0,5) umgeben sind (siehe F i g. 3), so wird eine Gesamt-Wärmeübertragung (Strahlungswärmeübertragung auf die zylindrische Materialschicht von sowohl der Langflamme 13, als auch den Leuchtgasen zuzüglich der Konvektionswärmeübertragung zwischen den Leuchtgasen und den zylindrischen Materialschichten) bezogen auf die Flächeneinheit von 33 900 kcai/h erreicht, was dem 2,7fachen des für die Wärmeübertragung ohne Langflamme berechneten Wertes von 12 600 kcal/h entspricht.

Ιιϊΐ folgenden soll die Verbrennungserscheinung in dem großen Wärmeaustauscherturm 2 anhand von F i g. 4 und 5 erläutert werden. Wird in eine dem Wärmeaustauscherturm 2 entsprechende zylindrische Kammer Luft A zur Erzeugung einer kreiselnden Strömung tangential eingeblasen, so ergeben sich die in

Fig.5 dargestellten Geschwindigkeitsprofile der Luftströmung. In F i g. 5 geben die ausgezogenen Linien die Geschwindigkeitsprofile der Zirkularströmung und die gestrichelten Linien die der axialen Strömungskomponenten an. Die Bezugszeichen a, b und c geben die Lage der Meßstellen in Axialrichtung an, die Abszisse den radialen Abstand von der Mittelachse 0-0' und die Ordinate die Strömungsgeschwindigkeit in m/sec. Wie aus F i g. 5 zu erkennen ist, erreicht die Geschwindigkeit der Zirkularströmung ihren Höchstwert jeweils an einer Stelle zwischen der Mittelachse 0-0' und der Umfangswandung der Kammer 2. Zur Mittelachse hin nimmt die Geschwindigkeit schnell ab und wird im engeren Bereich derselben gleich Null. Wird also aufgrund dieser Erkenntnis die Langflamme so eingestellt, 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 1100⁰C erhitzt.

Durch die Erzeugung einer Zirkularströmung eines Heißgases mit einer Temperatur von weniger als 1100° C zwischen der vom Brenner erzeugten Flamme und dem zu erhitzenden Rohmaterial ist eine stabile Flamme erzielbar, so daß örtliche Überhitzungen des Materials vermieden sind. Mit der neuen Anordnung läßt sich ein ausreichender Wärmeaustausch zwischen den von einem Drehrohrofen od. dgl. zugeführten Heißgasen und dem Rohmaterial auch dann erzielen, wenn die Temperatur der Heißgase unterhalb eines vorbestimmten Wertes von beispielsweise 1100°C gehalten wird.

Der neue Vorerhitzer 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.

Der beschriebene Vorerhitzer findet nicht nur in Anlagen für die Erzeugung von Zementklinker Verwendung, sondern kann auch in Anlagen zum Rösten feinkörniger Erze mit dem gleichen Erfolg eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Durchsink-Vorerhitzer, insbesondere für Brennoder Röstanlagen, mit einem Wärmeaustauscherturm, der an seinem Kopfteil eine Rohmaterialzuführöffnung und an seiner inneren Umfangswandung eine Gaszufuhröffnung zum tangentialen Einblasen von Heißgasen hat, dadurch gekennzeichnet, 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.