DE29711593U1 - Device for the thermal treatment of a raw material - Google Patents
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Description
& ZIMMERMANN & CARPENTER
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Dipl.-lng. H. Leinweber (19761) Dipl.-lng. Heinz Zimmermann Dipl.-lng. A. Gf. v. Wengersky Dipl.-Phys. Dr. Jürgen Kraus Dipf.-lng. Thomas Busch Dipl.-Phys. Dr. Klaus SeranskiDipl.-lng. H. Leinweber (19761) Dipl.-lng. Heinz Zimmermann Dipl.-lng. A. Gf. v. Wengersky Dipl.-Phys. Dr. Jürgen Kraus Dipf.-lng. Thomas Busch Dipl.-Phys. Dr. Klaus Seranski
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02.07.1997 ksar02.07.1997 ksar
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Westfalen AG
48155 MünsterWestfalen AG
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Die Erfindung betrifft eine Ofenanlage zur thermischen Behandlung eines Rohmaterials mit einem eine Beschickungsöffnung für das Rohmaterial aufweisenden Behandlungsraum und einer zum Einleiten eines Behandlungsgases in den Behandlungsraum ausgelegten Gaseinleitungsrichtung.The invention relates to a furnace system for the thermal treatment of a raw material with a treatment chamber having a charging opening for the raw material and a gas introduction direction designed for introducing a treatment gas into the treatment chamber.
Derartige Ofenanlagen werden beispielsweise zum Erschmelzen und/oder Aufkohlen von Gußeisen aus einem im allgemeinen Roheisen, Koks und ggf. weitere Zuschläge enthaltenden Rohmaterial in Schachtofen, insbesondere Kupolofen eingesetzt. DazuSuch furnace systems are used, for example, for melting and/or carburizing cast iron from a raw material that generally contains pig iron, coke and possibly other additives in shaft furnaces, especially cupola furnaces.
wird der Behandlungsraum des Kupolofens durch eine in dessen oberem Bereich angeordnete Beschickungsöffnung mit dem Rohmaterial beschickt und unter Einleitung des Behandlungsgases in den so erhaltenen Behandlungsraumbesatz behandelt. Als Behandlungsgas wird dabei im allgemeinen vorgewärmte Luft eingesetzt, die über sogenannte Winddüsen in den unteren Teil des Behandlungsraums eingeleitet wird.The treatment chamber of the cupola furnace is fed with the raw material through a loading opening located in its upper area and treated by introducing the treatment gas into the treatment chamber filling thus obtained. The treatment gas used is generally preheated air, which is introduced into the lower part of the treatment chamber via so-called wind nozzles.
Zur Verbesserung der Verbrennungsbedingungen im Behandlungsraum kann die Verbrennungsluft auch noch mit Sauerstoff angereichert werden. Beim Einsatz der beschriebenen Verfahren hat es sich gezeigt, daß der Rohmaterialbesatz des Behandlungsraums im allgemeinen eine ungleichmäßige Behandlung erfährt, wobei die Behandlung von Randzonen des Besatzes bereits nach kurzer Zeit abgeschlossen ist, während für die Behandlung des BesatzZentrums eine wesentlich längere Zeit benötigt wird. Ferner ist zu beobachten, daß die Verbrennung des im Rohmaterial enthaltenen Kokses bei der Ausführung der bekannten Verfahren im allgemeinen unvollständig erfolgt. Das führt bei den bekannten Verfahren einerseits zu einem hohen Brennstoffverbrauch und hat andererseits einen unerwünscht hohen Kohlenmonoxidanteil in den bei der Behandlung entstehenden Abgasen zur Folge.To improve the combustion conditions in the treatment room, the combustion air can also be enriched with oxygen. When using the methods described, it has been shown that the raw material in the treatment room is generally treated unevenly, with the treatment of the edge zones of the material being completed after a short time, while the treatment of the center of the material takes a much longer time. It can also be observed that the combustion of the coke contained in the raw material is generally incomplete when the known methods are carried out. This leads to high fuel consumption in the known methods on the one hand, and on the other hand results in an undesirably high carbon monoxide content in the exhaust gases produced during treatment.
Zur Behebung dieser Mängel der bekannten Vorrichtungen wurde bereits vorgeschlagen, den zur Anreicherung der Verbrennungsluft verwendeten Sauerstoff mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in den Behandlungsraum einzuleiten, um so im Besatzzentrum bessere Verbrennungsbedingungen zu erhalten. Bei der Ausführung des so verbesserten Behandlungsverfahrens hat es sich jedoch gezeigt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des eingeleiteten Sauerstoffs bereits in einer Entfernung von nur etwa 10 cm von der Stelle, an der eine entsprechende Sauerstoff leitung in den Behandlungsraum mündet, fast auf Null abgefallen ist, so daß auch mit dem durch Erhöhung der Sauer-In order to remedy these deficiencies in the known devices, it has already been proposed to introduce the oxygen used to enrich the combustion air into the treatment room at a high flow rate in order to obtain better combustion conditions in the stocking center. When implementing the improved treatment process, however, it has been shown that the flow rate of the introduced oxygen has already dropped to almost zero at a distance of only about 10 cm from the point at which a corresponding oxygen line opens into the treatment room, so that even with the increase in oxygen
stoffeinleitungsgeschwindigkeit weitergebildeten Behandlungsverfahren keine wesentliche Verbesserung der Behandlungsbedingungen im BesatzZentrum erreicht werden kann.treatment process that has been further developed to reduce the rate of introduction of substances no significant improvement in the treatment conditions in the stocking center can be achieved.
Angesichts der vorstehend erläuterten Probleme im Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ofenanlage zur thermischen Behandlung eines Rohmaterials der eingangs erläuterten Art bereitzustellen, mit der bei gleichzeitiger Reduzierung der durch die Behandlung entstehenden Abgasmenge eine Verringerung der zur Behandlung benötigten Brennstoffmenge erreichbar ist, sowie eine zur Ausführung eines derartigen Verfahrens einsetzbare Ofenanlage bereitzustellen. In view of the problems in the prior art explained above, the object of the invention is to provide a furnace system for the thermal treatment of a raw material of the type explained at the outset, with which a reduction in the amount of fuel required for the treatment can be achieved while at the same time reducing the amount of exhaust gas generated by the treatment, as well as to provide a furnace system that can be used to carry out such a process.
Diese Aufgabe wird durch eine Ofenanlage der eingangs erläuterten Art gelöst, bei der zumindest ein Teil des Behandlungsgases in Form von gegenüber dem Umgebungsdruck einen hohen Druck aufweisenden Gasimpulsen in den Behandlungsraum einleitbar ist.This task is solved by a furnace system of the type described above, in which at least part of the treatment gas can be introduced into the treatment chamber in the form of gas pulses having a high pressure compared to the ambient pressure.
Diese Lösung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch eine impulsförmige Gaseinleitung, durch die die Einstellung eines Strömungsgleichgewichts im Behandlungsraum verhindert wird, Strömungsbedingungen erhalten werden, unter denen die durch die mit den Gasimpulsen erzeugten kurzen Druckstöße erhaltenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten in dem Behandlungsraum über große Strecken aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann eine der Belüftung der Randzonen des Behandlungsraumbesatzes entsprechende Belüftung des BesatzZentrums erreicht werden, die eine gleichmäßige und vollständige Behandlung bzw. Verbrennung des Rohmaterials bei gleichzeitiger Reduzierung der dabei entstehenden Schadstoffmengen und der dazu benötigten Brennstoffmengen ermöglicht. Gleichzeitig kann auf diese Weise eine höhere Flexibilität des aus Behandlungsgas und Rohmaterial bestehenden Schmelzaggregates undThis solution is based on the surprising discovery that by introducing gas in pulses, which prevents the establishment of a flow equilibrium in the treatment chamber, flow conditions are obtained under which the high flow speeds in the treatment chamber, which are achieved by the short pressure surges generated by the gas pulses, are maintained over long distances. In this way, ventilation of the treatment center can be achieved that corresponds to the ventilation of the edge zones of the treatment chamber setting, which enables uniform and complete treatment or combustion of the raw material while simultaneously reducing the amount of pollutants generated and the amount of fuel required for this. At the same time, this can achieve greater flexibility of the melting unit consisting of treatment gas and raw material and
somit eine bessere Einstellung der Reaktionsbedingungen während der thermischen Behandlung erreicht werden, wodurch schließlich eine Erhöhung der Schmelzleistung, eine Verbesserung der Aufkohlung des Eisens und verringerte Abbrände erhalten werden können.This enables better adjustment of the reaction conditions during the thermal treatment, which ultimately leads to an increase in melting performance, an improvement in the carburization of the iron and reduced burn-off.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der zur Behandlung des Rohmaterials benötigte Sauerstoff in Form der Gasimpulse eingeleitet wird. Die Gaseinleitungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dazu zweckmäßigerweise mit mindestens einem zur Aufnahme des in Form der Gasimpulse in den Behandlungsraum einzuleitenden Sauerstoffs ausgelegten Druckbehälter versehen, an den eine in den Behandlungsraum mündende Gasleitung angeschlossen ist. Zur Erzeugung der Gasimpulse kann ein zum Absperren der an den Druckbehälter angeschlossenen Gasleitung ansteuerbares Schnellschlußventil verwendet werden.It has proven to be particularly advantageous if the oxygen required to treat the raw material is introduced in the form of gas pulses. The gas introduction device of the device according to the invention is expediently provided with at least one pressure vessel designed to accommodate the oxygen to be introduced into the treatment chamber in the form of gas pulses, to which a gas line leading into the treatment chamber is connected. To generate the gas pulses, a quick-closing valve that can be controlled to shut off the gas line connected to the pressure vessel can be used.
Zur Einstellung gewünschter Reaktonsbedingungen kann ein Teil des Behandlungsgases mit einem konstanten Volumenstrom in den Behandlungsraum eingeleitet werden. Dieser Teil des Behandlungsgases kann beispielsweise aus mit Sauerstoff angereicherter Luft bestehen. Dabei kann der zur Anreicherung der Luft verwendete Sauerstoff durch dieselbe Gaseinleitungsöffnung in den Behandlungsraum eingeleitet werden, wie der in Form von Gasimpulsen eingeleitete Sauerstoff. Dazu weist die Gaseinleitungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßigerweise eine in die an den Druckbehälter angeschlossene Gasleitung mündende weitere Gasleitung auf, über die der zur Anreicherung der Luft dienende Sauerstoff mit einem konstanten Volumenstrom in den Behandlungsraum eingeleitet wird.To set the desired reaction conditions, part of the treatment gas can be introduced into the treatment chamber at a constant volume flow. This part of the treatment gas can, for example, consist of air enriched with oxygen. The oxygen used to enrich the air can be introduced into the treatment chamber through the same gas inlet opening as the oxygen introduced in the form of gas pulses. For this purpose, the gas inlet device of the device according to the invention expediently has a further gas line opening into the gas line connected to the pressure vessel, via which the oxygen used to enrich the air is introduced into the treatment chamber at a constant volume flow.
Zur Einleitung der einen Teil des Behandlungsgases bildenden Luft kann die Gaseinleitungseinrichtung der erfindungsgemäßen Ofenanlage mit einer dritten in den BehandlungsraumTo introduce the air forming part of the treatment gas, the gas inlet device of the furnace system according to the invention can be connected to a third
mündenden Gasleitung versehen sein. Zum Erhalt einer möglichst homogenen Zusammensetzung des in den Behandlungsraum eingeleiteten Gasgemischs ist es dabei besonders zweckmäßig, wenn die Mündung der an den Druckbehälter angeschlossenen Gasleitung etwa im Zentrum der dem Behandlungsraum zugewandten Mündung der dritten Gasleitung angeordnet ist. Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Homogenität der Zusammensetzung des Behandlungsgases kann erreicht werden, wenn die dem Behandlungsraum zugewandten Mündungsbereiche der an den Druckbehälter angeschlossenen Gasleitung und der dritten Gasleitung etwa koaxial zueinander verlaufen.To obtain the most homogeneous composition possible of the gas mixture introduced into the treatment chamber, it is particularly expedient if the mouth of the gas line connected to the pressure vessel is arranged approximately in the center of the mouth of the third gas line facing the treatment chamber. A further improvement in terms of the homogeneity of the composition of the treatment gas can be achieved if the mouth areas of the gas line connected to the pressure vessel and the third gas line facing the treatment chamber run approximately coaxially to one another.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, auf die hinsichtlich aller erfindungswesentlichen und in der Beschreibung nicht weiter herausgestellten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is explained below with reference to the drawing, to which reference is expressly made with regard to all details essential to the invention and not further highlighted in the description. In the drawing shows:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten KupolofensFig. 1 is a sectional view of a cupola furnace suitable for carrying out the method according to the invention
undand
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Gaseinleitungseinrichtung des in Fig. 1 dargestellten Kupolofens. Fig. 2 is a schematic representation of the gas inlet device of the cupola furnace shown in Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Kupolöfen weist einen schachtförmigen Behandlungsraum 10 auf, der über eine im oberen Bereich des Ofens angeordnete Beschickungsöffnung 12 mit einem beispielsweise aus Roheisen, Koks und ggf. weiteren Zuschlägen bestehenden Rohmaterial beschickt werden kann. Das so in den Behandlungsraum 10 gelangte Rohmaterial kann mit einer im unteren Bereich des Kupolofens angeordneten Gaseinleitungseinrichtung 10 von unten belüftet werden. Zum Abziehen der während der Behandlung des Rohmaterials im Behandlungsraum 10The cupola furnace shown in Fig. 1 has a shaft-shaped treatment chamber 10, which can be fed with a raw material consisting of, for example, pig iron, coke and possibly other additives via a charging opening 12 arranged in the upper area of the furnace. The raw material thus fed into the treatment chamber 10 can be ventilated from below using a gas inlet device 10 arranged in the lower area of the cupola furnace. In order to remove the gases generated during the treatment of the raw material in the treatment chamber 10,
entstehenden Abgase ist im oberen Bereich des Kupolofens eine Abgasleitung 14 angeordnet.An exhaust pipe 14 is arranged in the upper area of the cupola furnace to remove the resulting exhaust gases.
Die Gaseinleitungseinrichtüng umfaßt eine den Behandlungsraum umlaufende Ringleitung 22 und eine Anzahl von daran angeschlossenen und in den Behandlungsraum mündenden Gasleitungen in Form von sogenannten Winddüsen. Die Ringleitung 22 dient zur gleichmäßigen Verteilung der ggf. mit über die Abgasleitung 14 aus dem Behandlungsraum 10 abgezogenen Abgasen vorgewärmten Verbrennungsluft. Wenngleich der in Fig. 1 dargestellte Kupolofen nur zwei Winddüsen 24 zum Einleiten der Verbrennungsluft in den Behandlungsraum 10 aufweist, kann die Gaseinleitungseinrichtung 20 je nach Größe des Behandlungsraums auch bis zu zwölf gleichmäßig über den Umfang der Ringleitung 22 verteilte Winddüsen umfassen. Die Winddüsen 24 sind in ihrem unteren Bereich jeweils mit einer zur Einleitung von Sauerstoff in den Behandlungsraum 10 ausgelegten Gaseinleitungslanze 2 6 versehen.The gas introduction device comprises a ring line 22 running around the treatment room and a number of gas lines connected to it and opening into the treatment room in the form of so-called blast nozzles. The ring line 22 serves to evenly distribute the combustion air, which may have been preheated with exhaust gases drawn from the treatment room 10 via the exhaust line 14. Although the cupola furnace shown in Fig. 1 only has two blast nozzles 24 for introducing the combustion air into the treatment room 10, the gas introduction device 20 can, depending on the size of the treatment room, also comprise up to twelve blast nozzles evenly distributed around the circumference of the ring line 22. The blast nozzles 24 are each provided in their lower area with a gas introduction lance 26 designed to introduce oxygen into the treatment room 10.
Wie der schematischen Darstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Gaseinleitungslanzen 26 in die Winddüsen eingesetzt und erstrecken sich koaxial zu einem in eine Wand 11 des Behandlungsraums 10 eingesetzten Mündungsbereich 2 4a der jeweiligen Winddüse 24, wobei die Mündungen 26a der Gaseinleitungslanzen 26 etwa im Zentrum der jeweiligen Winddüsenmündung angeordnet sind.As can be seen from the schematic representation in Fig. 2, the gas inlet lances 26 are inserted into the wind nozzles and extend coaxially to an opening area 24a of the respective wind nozzle 24 inserted into a wall 11 of the treatment chamber 10, wherein the openings 26a of the gas inlet lances 26 are arranged approximately in the center of the respective wind nozzle opening.
Die in Fig. 2 dargestellte Gaseinleitungslanze 26 ist über eine Druckleitung 28 an einen Druckbehälter 3 0 angeschlossen, in dem unter hohem Druck stehender Sauerstoff enthalten ist. Die Druckleitung 28 ist mit einem Schnellschlußventil 32 versehen, das zum Absperren der Druckleitung 28 ausgelegt ist. Durch entsprechende Betätigung des Schnellschlußventils 3 2 kann der im Druckbehälter 3 0 enthaltene SauerstoffThe gas inlet lance 26 shown in Fig. 2 is connected via a pressure line 28 to a pressure vessel 3 0, in which oxygen is contained under high pressure. The pressure line 28 is provided with a quick-closing valve 32, which is designed to shut off the pressure line 28. By actuating the quick-closing valve 3 2 accordingly, the oxygen contained in the pressure vessel 3 0 can
in Form von einen hohen Druck aufweisenden Gasimpulsen in den Behandlungsraum 10 eingeleitet werden.in the form of high-pressure gas pulses into the treatment chamber 10.
Wie Fig. 2 weiter zu entnehmen ist, kann an die Gaseinleitungsleitungslanze 26 auch noch eine weitere Gasleitung 34 angeschlossen sein, um die durch die Winddüse 24 in den Behandlungsraum 10 eingeleitete Luft mit Sauerstoff anzureichern. Dazu wird der Sauerstoff über die Leitung 34 und die Gaseinleitunglanze 2 6 mit einem konstanten Volumenstrom in den Behandlungsraum 10 eingeleitet, wobei dem konstanten Volumenstrom die durch entsprechende Betätigung des Schnellschlußventils 32 erhaltenen Gasimpulse überlagert werden können.As can be seen from Fig. 2, a further gas line 34 can also be connected to the gas inlet line lance 26 in order to enrich the air introduced into the treatment chamber 10 through the wind nozzle 24 with oxygen. For this purpose, the oxygen is introduced into the treatment chamber 10 via the line 34 and the gas inlet lance 26 at a constant volume flow, whereby the gas pulses obtained by corresponding actuation of the quick-closing valve 32 can be superimposed on the constant volume flow.
Bei der erfindungsgemäßen Ofenanlage kann jeder Gaseinleitungslanze
26 ein Druckbehälter 30 mit einem entsprechenden Schnellschlußventil 32 zugeordnet sein. Daneben ist es jedoch
auch möglich, für alle Gaseinleitunglanzen 26 einen gemeinsamen Druckbehälter 3 0 mit nur einem diesem zugeordneten
Schnellschlußventil 3 2 zu verwenden.
20In the furnace system according to the invention, each gas inlet lance 26 can be assigned a pressure vessel 30 with a corresponding quick-closing valve 32. In addition, however, it is also possible to use a common pressure vessel 30 with only one quick-closing valve 32 assigned to it for all gas inlet lances 26.
20
Mit der erfindungsgemäßen Ofenanlage können neben den eingangs bereits erläuterten Vorteilen auch noch eine Steigerung der Temperatur der Schmelze sowie durch eine Reduzierung der benötigten Windmenge eine Steigerung der Windtemperatur erreicht werden. Unter diesen Bedingungen kann das mit einer derartigen Anlage ausgeführte Behandlungsverfahren so gesteuert werden, daß Abfallstäube (ggf. unter Beimischung geringer Brennstoffmengen) dem Schmelzaggregat wieder zugeführt und verbraucht bzw. verschlackt werden.With the furnace system according to the invention, in addition to the advantages already explained at the beginning, an increase in the temperature of the melt and an increase in the wind temperature by reducing the amount of wind required can be achieved. Under these conditions, the treatment process carried out with such a system can be controlled in such a way that waste dust (if necessary with the addition of small amounts of fuel) is fed back into the melting unit and consumed or slagged.
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