DE2927834A1

DE2927834A1 - Verfahren zum brennen von mineralischen rohstoffen im gleichstrom-regenerativ-schachtofen

Info

Publication number: DE2927834A1
Application number: DE19792927834
Authority: DE
Inventors: Erwin Fuessl; Karl Scheibenreif
Original assignee: Maerz Ofenbau AG
Current assignee: Maerz Ofenbau AG
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1980-03-27
Also published as: AT372519B; SE7906176L; FR2436346B1; CA1124513A; CH637760A5; FR2436346A1; JPS5816932B2; ATA482379A; JPS5539300A

Description

Verfahren zum Brennen von mineralischen Rohstoffen im Gleichstrom-Regenerätiv-Schachtofen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen von mineralischen Rohstoffen wie Kalkstein, Dolomit oder Magnesit im Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofen mit mindestens zwei Schächten bei gleichzeitiger Kühlung des gebrannten Kalkes in den Kühlzonen der Schächte.

Bei dem bekannten Regenerativverfahren für stark endotherme Prozesse, beispielsweise zum Brennen von Kalkstein, handelt es sich um ein Verfahren, welches seit dessen Bekanntwerden (AT-PS 211 214) für den Bau von Gleichstrom-Gegenstrom-Schachtöfen mit zwei oder drei Schächten vielfach angewandt und auch in der Literatur vielfach beschrieben worden ist, u.a. von E.Schiele und L.W. Berens im Buch "Kalk", Seite 147-151, Verlag Stahl-Eisen, Düsseldorf.

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Die ausschliesslich regenerative Ausnützung der Wärmeträger in diesem Brennverfahren hat sich sehr gut bewährt, weil in der Vorwärmzone der Schächte nicht nur das Brenngut, sondern auch die Verbrennungsluft vorgewärmt wird; das wärmetechnische Merkmal eines solchen Ofens ist die regenerative Vorwärmung der Verbrennungsluft. Dieses Brennverfahren ist wärmetechnisch praktisch nicht mehr verbesserungsfähig, jedoch entspricht es in betrieblicher Hinsicht noch nicht allen Anforderungen. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Brennverfahren entsprechend zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die durch den gebrannten Rohstoff in der Kühlzone aufgeheizte Kühlluft am Ende der Kühlzone mindestens teilweise aus dem Ofen abgeführt und ihr Wärmeinhalt ausserhalb der Ofenschächte rekuperativ zur Vorwärmung der dem Ofen zuzuführenden Rohstoffe und/oder zur Vorwärmung der am oberen Ende der Vorwärmzone zuzuführenden Verbrennungsluft ausgenützt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von Regenerativ-Schachtöfen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines Zweischachtofsns mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt,

Fig. 2 ' ein Druckmodell für die Kühlzone des Gegen stromschachts eines Regenerativ-Schachtofens mit der Abführung der Kühlluftmenge an der aussenseitigen Seitenwand,

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Fig. 3 ein Druckmodell für die Kühlzone des Gleichstromschachts eines Eegenerativ-Schachtofens mit der Abführung der Kühlluftmenge an der innenseitigen Seitenwand und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Zweischachtofens mit kreisförmigem Schachtquerschnitt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zweischachtofen ist der Schacht 1 der im Gleichstrom betriebene Brennschacht und der Schacht 2 der Gegenstromschacht. In den Schächten 1, 2 wird eine Vorwärmzone V, eine Brennzone B, eine Nachentsäuerungszone N und eine Kühlzone K unterschieden. Die Zufuhr der Verbrennungsluft und der Kühlluft erfolgt mittels eines Gebläses 3 bzw. 4, z.B. eines Drehkolbengebläses. Der Brennstoff tritt etwa am Beginn der Brennzone B über Brenner 5 in den Brennschacht, in Fig. 1 der Schacht 1. Die durch einen Pfeil 6 symbolisch dargestellten Rauchgase strömen, angereichert durch das aus dem Kalkstein austretende C0_, zunächst parallel mit der Schüttung nach unten, dann weiter in den Gegenstromschacht 2 und dort entgegen der Schüttbewegung nach oben zu einem Abzug 7. Die über eine Leitung 8 den beiden Schächten 1, 2 über Schiebetische

9 zum Austragen des gebrannten Materials zugeführte Kühlluft

10 strömt in der Kühlzone K nach oben und nach Aufheizung durch den gebrannten Kalk seitlich über Abzugkanäle 11 nach aussen über eine Entstaubevorrichtung 12, z.B. Zyklon, und über eine Leitung 13 in einen Kalksteinvorwärmer 14 oder über einen Luftrekuperator 15 ins Freie oder in eine nicht dargestellte Entstaubung.

Die vom Gebläse 4 über eine Leitung 16 gelieferte Verbrennungsluft tritt entweder direkt über eine Leitung 17 oder über den Luftrekuperator 15 oben in den Schacht 1 ein. Der

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iir>. Aufgabekübel 18 vorerwärmte und vorgetrocknete Kalkstein wird je nach Bedarf dem einen oder anderen der Schächte 1, 2 zugeleitet. Nach Beendigung des Brennvorgangs im Schacht 1 wird umgestellt und der Schacht 2 wird zum Brennschacht und der Schacht 1 zum Gegenstromschacht.

Fig. 2 und 3 zeigen die Strömungsverhaltnisse in der Nachentsäuerungszone N und in der Kühlzone K des Gegenstromschachts 2 bzw. des Brennschachts 1. Die an einem Modell mittels der elektrischen Analogiemethode gefundenen Ergebnisse zeigen, dass es sowohl im Gegenstromschacht 2 als auch im Brennschacht 1 möglich ist, praktisch die gesamte Kühlluftmenge durch das Gebläse 3 abzusaugen, wenn die Abzugkanäle 11 für den Gegenstromschacht an der aussenseitigen, d.h. vom. Schacht 1 entfernten Seitenwand und für den Brennschacht 1 an der innenseitigen, d.h. gegen den Schacht 2 gerichteten Seitenwand angeordnet sind.

Der in Fig. 4 dargestellte Zweischachtofen ist in seinem Aufbau grundsätzlich gleich wie der Ofen in Fig. 1, weshalb gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Die mit CO« aus dem Entsäuerungsvorgang angereicherten Rauchgase 6 strömen aus der Brennzone E des Gleichstromschachts 1 über Ueberströmkanäle 20 in den Gegenstromschacht 2, während die aufgeheizte Kühlluft 10 über einen zentralen Hohlzylinder 21 abströmt. Bei Oefen mit grossem Schachtdurchmesser werden zweckmässigerweise zwischen dem zentralen Hohlzylinder 21 und der Kühlzonenwand 22 dachförmige Kreuzgewölbe oder Balken 23 vorgesehen, die ein gleichmässiges Abziehen der vorgewärmten Kühlluft ermöglichen. Bei kleinerem Schachtdurchmesser wird über dem zentralen Hohlzylinder 21 eine Abdeckung 24 vorgesehen.

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An einem Beispiel wird nachstehend die Wärmebilanz der Vorwärmzone V dargestellt:

Angenommen wird, dass

- die Entsäuerung des Kalksteins bei 810° C beginnt, die Temperaturdifferenz zwischen Kalkstein und Rauchgas am Beginn der Brennzone B 30° C und demnach die Temperatur der aus der Brennzone B in die Vorwärmzone V eintretenden Rauchgase 840° C beträgt,

ein freies CaO von 94%,

der Wärmeverlust der Ofenwände in der Vorwärmzone bei 10 kcal/kg Kalk und

die Temperatur der aufgeheizten und aus der Kühlzone K abgeführten Kühlluft bei 800° C liegt.

Die Kühlluftmenge wird mit 0,6 Nn3/kg Kalk angenommen. Sie

wird vollständig abgeführt. f

Die Kühlluft hat eine Ansaugtemperatur von 10° C und nach ί

der Verdichtung 40° C. |

Die Beheizung erfolgt mit Erdgas, der Wärmeverbrauch ist 900 kcal/kg, die Verbrennung des Erdgases erfolgt mit einem theoretischen Luftbedarf von 1007 Nn3/kg und ergibt eine Rauchgasmenge von 1.135 Nm3/kg. Dazu kommen 0,365 Nm3/kg ausgetriebenes CO,, so dass die gesamte in die Vorwärmzone eintretende Rauchgasmenge 1,50 Nn3/kg Kalk beträgt und ihre Austrittstemperatur 1OO° C ist.

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'.-> Rauchgaswärme aus der Brennzone B

!'! 1,50 χ 0,397 χ 840 - 1,5 χ 100 χ 0,349 - 10 = 437,87 kcal/kg

: Wärmebedarf für die Vorwärmung des Kalksteins f 1,74 χ 0,260 χ (310 - 10) = 361.92 kcal/kg

*:ί Wärme für die Vorwärmung der Verbrennungsluft 1,007 χ 0,33 χ (840 - 40) = 265,84 kcal/kg

k 627,76 kcal/kg

Wärmedefizit in der Vorwärmzone ohne Ausnützung der vorgewärmten Kühlluft
627,76 - 437,87 = 189,89 kcal/kg

Die abgeführte und aufgeheizte Kühlluft hat den Wärmeinhalt von 0,60 χ 0,33 χ 800 = 158,40 kcal/kg. Davon gehen bei der Steinaufwärmung ausserhalb der Schächte bei einer angenommenen Luftaustrittsteroperatur von 80° C verloren 0,6 χ 0,33 χ 80 = 15,84 kcal, weiter für Wand- und Leitungsverluste angen. 10,00 kcal, und für die Wasserverdampfung • des Steins 13,00 kcal
Summe Verluste 38,84 kcal

Es werden also vom Stein aufgenommen und wiedergewonnen 158,40 - 38,84 = 119,56 kcal/kg. Damit kommt man auf eine Kalksteinaufwärmung 119,56 _ _-. -_o

1,74 χ 0,26

Das Wärmedefizit der Vorwärmzone beträgt nach Hinzurechnung der rekuperativen Steinvorwärmung 189,89 - 119,56 = 70,33 kcal/kg, das durch erhöhte Brenn-

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stoffzufuhr ausgeglichen werden muss. Dieses Wärmedefizit in der Vorwärmzone nach dem beschriebenen Verfahren ist etwa gleich gross wie beim reinen Regenerativ-Verfahren, bei dem bei der Verbrennung mit 20% Luftüberschuss, einer Kühlluftmenge von 0,6 Nm3/kg und einer Abgastemperatur von 80° C etwa 64 kcal/kg auftreten.

Beim Regenerativ-Verfahren wird in gewissen Zeitabständen der Brennzyklus gewechselt. Nach dem beschriebenen Verfahren ist es wichtig, so zu steuern, dass der ausserhalb des Ofens rekuperativ vorgewärmte Kalkstein in den Schacht chargiert wird, in dem darnach die Verbrennung im Gleichstrom erfolgt, so dass die kalte Verbrennungsluft auf den vorgewärmten Kalkstein auftrifft.

Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens bestehen im wesentlichen darin, dass das Regenerativsystem des Ofens entlastet wird und sich dadurch wesentliche Verbesserungen in Bezug auf Betrieb, die Produktion und die Verwendbarkeit des Ofens ergeben.

Vielfach stehen nur ungewaschene und stark verunreinigte und auch sehr nasse Kalksteine, wie z.B. kreideformige Kalksteine mit 10 - 20% Wassergehalt, zur Verfügung. Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten beim Transport des Materials in den Ofen, weil viel feines Material am Stein haften bleibt, das durch Sieben nicht abgetrennt werden kann und dabei den Ofengang beim Brennen nachteilig beeinflusst. Im Winter kommt hinzu, dass die nassen Kalksteinstücke zu grösseren Klötzen zusammenfrieren und die Beschickung blockieren kann. Auch beim Wiegen des aufzugebenden Kalksteins ergeben sich Probleme, die unangenehm sind, wenn der Wassergehalt des Einsatzgutes infolge jahreszeit-

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licher Einflüsse starken Schwankungen unterliegt.

Die Feuchtigkeit des Kalksteins wird normalerweise vor dem Wiegen nicht gemessen, wohl aber sollte die zuzuführende Brennstoffmenge dem Wassergehalt des Steins angepasst werden, wenn man eine gute und gleichmässige Kalkqualität erzeugen will. Dieser Nachteil wird durch Einbringen des vollkommen getrockneten oder auf eine gleichmässige Feuchtigkeit vorgetrockneten Kalksteins beseitigt.

Durch die direkte Uebertragung von Wärme der aus dem Regenerativsystem abgeführten und durch den gebrannten Kalk aufgeheizten Kühlluft auf den zu chargierenden Kalkstein, bzw. in einen Behälter auf dem Ofen, wird eine ähnlich gute Wärmeausnützung wie in der Vorwärmzone des Regenerativsystems erreicht. Weiter kann das Unterkorn und besonders auch das nunmehr getrocknete reine vor dem Wiegen und voider Aufgabe des Kalksteins in den Ofen von der zum Brennen vorgesehenen Kalksteinkörnung leicht getrennt werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens wird dadurch eröffnet, dass z.B. auf einem Granulierteller durch Zugabe von Wasser hergestellte Pellets aus Kreidestein vor der Beschickung in den Ofen mit aufgeheizter Kühlluft getrocknet und gehärtet werden können.

Eine Variante des Verfahrens besteht darin, dass die gesamte oder eine Teilmenge der in der Kühlzone des Ofens aufgeheizten Luft teilweise über einen Rekuperator geleitet wird und zur Vorwärmung der Verbrennungsluft auf eine Temperatur von z.B. 150° C oder 200° C verwendet wird, entsprechend einer noch tragbaren Abgastemperatur. Dadurch kann mit Sicherheit, z.B. auch beim Anfahren des Ofens,

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eine für eine nachgeschaltete Entstaubungsanlage störende Taupunktunterschreitung der Rauchgase verhindert werden.

Eine weitere Variante des Verfahrens besteht in der Aufteilung der aufgeheizten Kühlluft sowohl zur rekuperativen Vorwärmung des Brennguts als auch der Verbrennungsluft in der Form, dass ein Teil der vorgewärmten Kühlluft der noch zusätzlich für die Verbrennung erforderlichen kalten Luft zugemischt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens durch vollkommene oder teilweise Abfuhr der aufgeheizten Kühlluft besteht auch darin, dass der Partialdruck der Kohlensäure im Abgas auf einen gewünschten oder auf einen maximal möglichen Wert eingestellt v/erden kann. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist auch dadurch gegeben, dass die Kühlluftmenge auf die für die Kühlung des gebrannten Kalkes gewünschte Temperatur begrenzt werden kann, also auf ca. 0,6 bis 0,7 Nm3/kg Kalk, denn unter heissen und feuchten klimatischen Bedingungen bei hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Lufteintrittstemperatur in die Kühlzone erfolgt durch Hydratation des gebrannten Kalkes eine beachtliche Temperatursteigerung des auszutragenden Kalkes; auch der Wärmeverbrauch wird dadurch erhöht, umsomehr, je grosser die Kühlluftmenge ist.

Das Gleichstrom-Brennverfahren ermöglicht wegen der Brennstoffzufuhr am Beginn der Entsäuerungszone eine sehr hohe Wärmebeaufschlagung, die nach den beschriebenen Verfahren voll ausgeschöpft werden kann.

Da nach dem neuen Verfahren die Kühlluft jedoch nicht durch den Gegenstromschacht abzieht, wird das Druckgefälle zwi-

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sehen den beiden Schachtköpfen reduziert, wodurch die Wärmezufuhr und damit die Leistung des Ofens um ca. 30 bis 50% gesteigert werden kann.

Die Zufuhr von Kühlluft und Verbrennungsluft erfolgt zweckmässig mit Drehkolbengebläsen, so dass der Ofen unter Druck arbeiten kann. So wird die Umwälzung von staubhaltigen Gasen in den Gebläsen vermieden. Vorteilhaft ist weiter, dass beim beschriebenen Verfahren keine Kühlelemente benötigt werden.

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Claims

Patentansprüche

lj Verfahren zum Brennen von mineralischen Rohstoffen wie Kalkstein, Dolomit oder Magnesit in Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofen mit mindestens zwei Schächten bei gleichzeitiger Kühlung des gebrannten Kalkes in den Kühlzonen der Schächte, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den gebrannten Rohstoff in der Kühlzone aufgeheizte Kühlluft am Ende der Kühlzone mindestens teilweise aus dem Ofen abgeführt und ihr Wärmeinhalt ausserhalb der Ofenschächte rekuperativ zur Vorwärmung der dem Ofen zuzuführenden Rohstoffe und/oder zur Vorwärmung der am oberen Ende der Vorwärmzone zuzuführenden Verbrennungsluft ausgenützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte Kühlluft an den Seitenwänden der Kühlzone abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem viereckigen Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofen die vorgewärmte Kühlluft des Gleichstromschachtes in der innenliegenden Seitenwand und die vorgewärmte Kühlluft des Gegenstromschachtes an der aassenliegenden Seitenwand der Kühlzone abgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte Kühlluft in einem Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofen mit kreisförmigem Schachtquerschnitt durch einen in der Kühlzone angeordneten zentralen Hohlzylinder nach innen und unten abgeführt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte Kühlluft durch einen freien Raum unterhalb von dachförmigen sich zwischen Seiten-Mauerwerk der Kühlzone und einem zentralen Hohlzylinder kreuzförmig erstreckenden Gewölben oder Balken und weiter durch das Innere dieses Hohlzyiinders nach unten abgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft am unteren Ende des sich unmittelbar über den Ofenschächten befindenden Kalksteinbehälters zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte Kühlluft einem dem Steinaufzug vorgeschalteten Kalksteinbehälter zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft zur Vorwärmung des Kalksteins ausserhalb des Ofens und/oder zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in einem Rekuperator verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft mindestens teilweise mit kalter Verbrennungsluft gemischt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ausserhalb des Ofens rekuperativ vorgewärmte Kalkstein vollkommen oder auf einen gleichmassigen Feuchtigkeitsgehalt vorgetrocknet in den Gleichstrom-Regenerativ-Ofen aufgegeben wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der aus dem Gleichstrom-Regenerativ-Ofen abziehenden Abgase auf ein Maximum an CO₂ geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergleich zum Verfahren mit in der Vorwärme erfolgender, ausschliesslich regenerativer Wärmeausnützung eine um 30 - 50% höhere Leistung erreicht wird.

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