DE3222574C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Luft fuer industrielle Zwecke - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Luft fuer industrielle ZweckeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen von allgemein gesehen Behandlungsgasen für industrielle Verfahren auf eine speziell gewünschte Temperatur.
Behandlungsgas, insbesondere erhitzte Luft, wird in beträchtlichen Mengen bei vielen industriellen Verfahren
verwendet Herkömmliche Verfahren zum Erhitzen großer Gasmengen beispielsweise durch Wärmetauscher
erfordern hohe Kapital-Investitionen.
Daher findet in neuerer Zeit immer häufiger die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Koks,
Naturgas, Öl usw. Anwendung. Eine derartige Verbrennung ergibt jedoch sowohl im Hinblick auf die
Umwelteinflüsse wie aus technischer Hinsicht Probleme. Die Umweltbelastung ergibt sich aus freiwerdenden
Schwefelverbindungen, welche zu einem Versauern der Umgebung führen, während gleichzeitig Rauch und Ruß
abgelagert werden. Technische Probleme ergeben sich daraus, daß bei bestimmten Verfahren kein Schwefel
vorhanden sein darf, wie beispielsweise bei verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Eisen und Stahl.
Hierzu kommen ungünstige Konstenfaktoren, da die Preise für fossile Brennstoffe ständig stark steigen.
Für diese Probleme wurden bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Dabei wurde auf dem Gebiete
der Stahlherstellung ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur im Gichtgas eines Hochofens entwickelt,
um die Leistung zu erhöhen und gleichzeitig den Koksverbrauch zu senken. Bei diesem bekannten
Verfahren wird das Gichtgas vollständig oder teilweise durch ein Plasma hindurchgeleitet, welches mittels eines
Lichtbogens in einem Plasmagenerator bekannter Ausbildung erzeugt wird. Die Vorteile eines Plasmagenerators
liegen in seiner hohen Leistungsausbeute, welche etwa 90% erreicht, und ferner darin, daß eine
extrem hohe Temperatur von gewöhnlich über 3000° C erzielt werden kann.
In einem durch einen Plasmagenerator erzeugten Plasmagas sind einige der Atome und Moleküle
ionisiert, und diese ionisierten Teilchen sind äußerst reaktiv. Wenn ein von einem Luftstrom erzeugtes
Plasmagas jedoch zum Normalzustand bei niedriger Temperatur umschlägt, ergeben sich Stickstoffoxide
sowie Stickstoff und Sauerstoff. Stickstoffoxide sind äußerst giftig und geben Anlaß zur Bildung von
Salpetersäure, welche die Behandlungsanlage zerstören kann.
Bei dem bekannten Verfahren zum Erhitzen des Gichtgases für Hochöfen wurde die Bildung von
Stickstoffoxid jedoch außer acht gelassen, da das erzeugte Plasmagas direkt in den Hochofen eingeblasen
wird, in welchem die Stickstoffoxide automatisch während ihres Durchganges durch die Ofencharge
aufgespalten werden. Die Verwendung eines Plasmagenerators zur Erhitzung von für bestimmte industrielle
Verfahren benötigten Gasen ist daher bis zum heutigen Tage im wesentlichen auf die Anwendung bei Hochöfen
begrenzt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Erhitzen von Luft für industrielle
Zwecke auf eine vorgegebene Temperatur sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung
zu schaffen, durch welche der vorgenannte Stand der Technik verbessert wird, so daß für industrielle
Verfahren benötigte Luft erhitzt werden kann, ohne daß sie verschmutzt wird und ohne daß, wie dies vorstehend
beschrieben wurde, Stickstoffoxid entsteht, wobei außerdem im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren,
bei denen fossile Brennstoffe verwendet werden, die Erhitzung der Luft preiswerter durchführbar ist
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Luftstrom durch
einen Plasmagenerator gleitet und in diesem auf eine
zur Ionisierung von Stickstoff und Sauerstoff und damit
zur Bildung von Plasmagas ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, daß diesem Plasmagas sofort
anschließend ein Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Gut in einer derartigen Menge
zugesetzt wird daß bei Reaktion des Gutes mit dem Plasmagas das Verhältnis CO+ H2ZCO2+H2O wenigstens
0,1 beträgt, wodurch die Bildung von Stickstoffoxid im wesentlichen vermeidbar ist, und daß unmittelbar
danach das Plasmagas und sein Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Zuschlaggut
mit einem zweiten Luftstrom in einem derartigen Verhältnis vermischt wird, daß die vorgegebene
Temperatur im endgültigen Luftgemisch erzielt wird.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei den im Plasmagas herrschenden Bedingungen der Sauerstoff
schneller mit Kohlenstoff als mit Stickstoff reagiert und daß, wenn das kohlenstoffhaltige Gut dem
Plasmagas in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß das Verhälntis CO + H2/CO2+H2O im Plasmagas
nach der Reaktion wenigstens 0,1 erreicht, vernachlässigbar geringe Mengen an Stickstoffoxiden gebildet
werden. Die Menge an zuzusetzendem kohlenstoffhaltigen Gut läßt sich durch Beobachtung der herrschenden
Materialbilanz bestimmen, wenn die Mengen der eintretenden und ausströmenden Luft und die Temperatur
bekannt sind.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Erhitzen eines für ein Verfahren benötigten Gases
wie Luft auf eine vorgegebene Temperatur, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen Plasmagenerator
zur Erzeugung von Plasmagas mittels eines Lichtbogens aufweist, welcher einen Einlaß für einen
ersten Luftstrom zur Bildung von Plasmagas besitzt, daß an der Stelle, an welcher das Plasmagas den
Plasmagenerator verläßt, eine Blasform mit Blaslanzen für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff
enthaltendem Gut zum Plasmagas und unmittelbar daran anschließend eine Reaktions- oder Mischzone
ausgebildet ist, in welche ein zweiter Einlaß für einen vom Plasmagas zu erhitzenden zweiten Luftstrom
einmündet.
Vorzugsweise wird das Plasmagas im Plasmagenerator in Drehung versetzt, um den Elektrodenverschleiß
herabzusetzen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Blasform mit
tangentialen Einlassen für das Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff enthaltende Gut versehen, wobei
diese Einlasse derart ausgerichtet sind, daß das kohlenstoffhaltige Gut in einer zur Drehrichtung des so
Plasmagases entgegengesetzten Richtung in Drehung versetzt wird. Auf diese Weise wird eine innige
Mischung erreicht und die Reaktionsbedingungen werden dadurch günstiger gestaltet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nächstehend
anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Plasmagenerators;
F i g. 2 einen Schnitt durch F i g. 1 längs der Linie II-II
zur Darstellung der wassergekühlten Blasform;
F i g. 3 eine schematische Ansicht einer Pelletisieranlage
mit geradlinigem Rost, welche mit der erfindungsgemäßen Heißlufterzeugungs-Einrichtung versehen ist;
und Fig.4 einen Schnitt durch diese Einrichtung der F i g. 3 längs der Linie IV-IV.
Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Plasmagenerator 1 besitzt eine Einlaßleitung 2 für einen ersten Luftstrom, welcher erhitzt werden soll. Dieser Luftstrom kann teilweise oder vollständig aus zurückgeführter Luft bestehen, welche vorher bei dem gleichen Verfahren beispielsweise als Kühlluft oder dgl. verwendet wurde. Wenn die Luft den im Plasmagenerator erzeugten Lichtbogen passiert, nimmt sie Plasma-Zustand an und sogenanntes »Plasmagas« wird gebildet. Unmittelbar im Anschluß an diesen Plasmagenerator befindet sich in Strömungsrichtung der Luft gesehen eine wassergekühlte Blasform 3 mit Blaslanzen 4 für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff und möglicherweise Wasser enthaltendem Gut, um die Bildung von Stickstoffoxiden zu verhindern, weiche sonst unvermeidlich entstehen würden. Ein zweiter Luftstrom wird durch einen Einlaß 7 unmittelbar hinter der Blasform dem extrem heißen Plasmagas zugeführt. Die Öffnung des Einlasses 7 mündet in einen Bereich 8 ein, welcher als Misch- oder Reaktionszone bezeichnet werden kann.
Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Plasmagenerator 1 besitzt eine Einlaßleitung 2 für einen ersten Luftstrom, welcher erhitzt werden soll. Dieser Luftstrom kann teilweise oder vollständig aus zurückgeführter Luft bestehen, welche vorher bei dem gleichen Verfahren beispielsweise als Kühlluft oder dgl. verwendet wurde. Wenn die Luft den im Plasmagenerator erzeugten Lichtbogen passiert, nimmt sie Plasma-Zustand an und sogenanntes »Plasmagas« wird gebildet. Unmittelbar im Anschluß an diesen Plasmagenerator befindet sich in Strömungsrichtung der Luft gesehen eine wassergekühlte Blasform 3 mit Blaslanzen 4 für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff und möglicherweise Wasser enthaltendem Gut, um die Bildung von Stickstoffoxiden zu verhindern, weiche sonst unvermeidlich entstehen würden. Ein zweiter Luftstrom wird durch einen Einlaß 7 unmittelbar hinter der Blasform dem extrem heißen Plasmagas zugeführt. Die Öffnung des Einlasses 7 mündet in einen Bereich 8 ein, welcher als Misch- oder Reaktionszone bezeichnet werden kann.
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 durch die Blasform für die Zufuhr von
Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendem Gut zum Plasmagas. Wie der dickere Pfeil 5 in der Figur
zeigt, dreht sich das Plasmagas. Die Blaslanzen 4 sind im wesentlichen derart tangential angeordnet, daß das
Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltende Gut in entgegengesetzter Richtung in Drehung versetzt
wird, wie dies durch die Pfeile 6 angedeutet ist. Auf diese Weise wird eine innige Vermischung des Zuschlaggutes
mit dem Plasmagas erreicht und die Bildung von Stickstoffoxid kann somit auf einem sehr geringen Wert
gehalten werden, vorausgesetzt, daß ausreichende Mengen an kohlenstoffhaltigem Gut zugesetzt werden.
Beispiele geeigneten kohlenstoffhaltigen Gutes sind in dieser Beziehung Öl, Kohlenwasserstoff, Kohlenschlamm,
Kohlenstaub usw.
Fig.3 zeigt den Einsatz der Erfindung bei einer Pelletisieranlage mit einem Brennofen mit geradlinigem
Rost. Die dargestellte Pelletisieranlage ist mit einem endlosen Förderer 11 ausgerüstet, welcher aus einer
großen Anzahl von Wagen 12 besteht, die miteinander verbunden sind, auf Schienen laufen und dazu bestimmt
sind, stückige Eisenerz-Konzentrate, die als Pellets bekannt sind, durch einen Ofen oder einen Brennofen 13
hindurch zu transportieren. Die Pellets werden fortlaufend den Wagen über ein Walzensieb 14 zugeführt. Die
Wagen durchlaufen hintereinander zwei Trockenzonen 15 und 16, eine Vorwärmzone 17, eine Sinterzone 18 mit
zwei Nachsinterzonen 18a und t8b sowie zwei Kühlzonen 19, 20. Die Unterseiten der Wagen 12 sind
luftdurchlässig und können beispielsweise als Gitter oder Netze ausgebildet sein.
Luft von einem anderen Teil des Verfahrens (beispielsweise Kühlluft) kann als Behandlungsluft für
die Pelletisieranlage verwendet werden. Die Luft wird durch ein Kühlgebläse 21 angeliefert und wird zunächst
in die Kühlzone 19 und 2Φ eingeblasen. Ein kleiner Teil
der Luft strömt durch die letzte Kühlzone 20, wird durch ein Trockenluft-Gebläse 22 der ersten Trockenzone 16
zugeführt, strömt durch die Pelletschicht in den Wagen nach oben und wird durch ein Sauggebläse 23
abgesogen und in einen Schornstein 24 weitergeleitet. Der restliche Hauptteil der angesogenen Luft wird nach
oben in eine Leitung oder eine Haube 25 geführt, von welcher aus er nach unten durch Kanäle 25a und 25b der
Vorwärmzone 17 zuströmt und außerdem den Brennern und 27 in der Sinterzone. Zweckmäßigerweise
werden vier Brennerpaare in der Vorwärmzone und sieben Brennerpaare in der Sinterzone angeordnet.
Ein geringer Teil der Kühlluft wird unten durch die Wagen in der zweiten Nachsinterzone 186 geleitet, so
daß der Sinterprozeß selbst in den untersten Schichten der Pellets in den Wagen, abgeschlossen wird.
Unter den Sinterzonen 18a und 186 ist ein Rekuperativ-Gebläse 28 angeordnet, von welchem die
Luft durch eine Leitung 29 der zweiten Trockenzone 16 zugeführt wird. Nach dem Durchgang durch die mit
Pellets angefüllten Wagen wird die Luft dann durch den Schornstein zusammen mit der Luft von der Sinterzone
mittels eines Exhaustors ausgeblasen.
Wenn bei einer derartigen Pelletisieranlage das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, werden
vorzugsweise sechs der Brennerpaare in der Sinterzone durch Plasmageneratoren entsprechend der Ausbildung
gemäß Fig. 1 und 2 ersetzt, um die erforderliche Erhitzung der Luft ohne Bildung von Stickstoffoxid zu
erreichen. Die normalerweise für die ölbrenner verwendete Zerstäubungsluft liefert ausreichend Luft
für den Einsatz der erfindungsgemäßen Plasmageneratoren. Daher ist keine weitere Abwandlung des
Verfahrens oder der Anlage wie beispielsweise der Einbau zusätzlicher Gebläse oder Kompressoren
erforderlich. Wenn daher das Verfahren der Lufterhitzung in der Pelletisieranlage in der durch die Erfindung
vorgeschlagenen Weise durchgeführt wird, so ist lediglich der Einbau der Plasmabrenner und der damit
verbundenen elektrischen Einrichtung erforderlich.
F i g. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Anlage aus
Fig.3 längs der Linie IV-IV, welche durch die Sinterzone hindurchgeht. Wie man sieht, besitzen die.
Wagen 12 auf Schienen 32 rollende Räder 31. Die auf etwa 900° C erhitzte Luft strömt von der Haube 25 nach
unten durch die Kanäle 25a und 25Z? unmittelbar zu den Brennern 26 und 27, wo sie erhitzt wird, dann in den
Ofenbereich 33 eintritt und von diesem nach unten durch die mit Pellets gefüllten Wagen hindurchströmt.
F i g. 4 zeigt somit eine Anordnung mit den erfindungsgemäßen
Plasmageneratoren, wie sie in Fig. 1 darge-' stellt sind.
Die beschriebene Ausführung stellt nur eine von vielen ohne weiteres möglichen technischen Anwendungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung dar, um das Problem der Bildung von
Stickstoffoxid mit einem Plasmagenerator zu lösen.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus dem nachstehenden Beispiel unter Bezugsnahme auf
die schematisch in den Fig.3 und 4 dargestellte
Pelletisieranlage.
Es wird davon ausgegangen, daß in der Pelletisieranlage 420 t Pellets/h hergestellt werden. Bereits im
Verfahren gebrauchte Luft mit einer Temperatur von 900° C wird als Einlaßluft verwendet Für den tatsächlichen
Sinterprozeß wird bekanntlich eine Temperatur von 13000C benötigt. Die in die Anlage eintretenden
Pellets dürfen jedoch nicht einem plötzlichen Temperaturanstieg auf 1300° C ausgesetzt werden. Die Anlage ist
daher, wie sich aus der vorstehenden eingehenden Beschreibung ergibt, derart ausgelegt, daß sie eine
Trockenluft mit einer Temperatur von etwa 250° C in einer ersten Trockenzone verwendet, woraufhin die
Lufttemperatur allmählich in den Vorwärmzonen erhöht wird. Hinter den Sinterzonen sind Nachsinterzonen
angeordnet. Dies ist erforderlich, um den Pellets am Boden Zeit zum Sintern zu geben. Infolgedessen sollten
in der tatsächlichen Sinterzone die bisher üblichen ölbrenner durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Plasmageneratoren ersetzt werden.
Bei der vorgenannten Produktionskapazität wird eine zusätzliche Leistung von 39 MW entsprechend einem
Ölverbrauch von 3,41 öl/h zum Erhitzen von annähernd 70 000 Nm3 Luft/h benötigt Erfindungsgemäß muß das
in dem Plasmabrenner erzeugte Plasmagas mit genügend Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendem
Gut gemischt werden, um die Bildung von Stickstoffoxid zu verhindern, wobei das Verhältnis
CO+H2/CO2+H2O nach der Reaktion größer ist als
0,1. Es wurde festgestellt, daß etwa 25% der zugeführten Wärme von der Reaktion des kohlenstoffhaltigen Gutes
herrührt und die restlichen 75% der zugeführten Wärme aus elektrischer Energie erhalten werden.
Der Ofen im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt elf Brennerpaare, von denen sieben in der
Sinterzone angeordnet sind. Bei dieser Anwendung der Erfindung sind vorzugsweise sechs der letztgenannten
Brennerpaare durch sechs Plasmageneratoren ersetzt, welche paarweise verbunden sind. Normalerweise
reicht die für die Ölverbrennung zugeführte Zerstäubungsluft
aus, um die Plasmageneratoren mit Luft zu versorgen. Der durch die Plasmageneratoren hindurchströmende
erste Anteil des Luftstromes zur Erzeugung des Plasmagases bildet im allgemeinen nur etwa 10%
der endgültig erhaltenen Behandlungsluft, welche zum Sintern verwendet wird. Dieser erste Luftstrom kann
vorzugsweise die herrschende Umgebungstemperatur haben, wenn er in die Plasmageneratoren einströmt.
Ein erwünschtes oder sogar erforderliches Merkmal für die erfolgreiche Verfahrens-Entwicklung in Anlagen,
welche derart hohe Kapitalinvestionen wie für Pelletisieranlagen erfordern, besteht darin, daß unter möglichst
geringem Eingriff in die vorhandene Einrichtung Verbesserungen erzielbar sind. Im vorliegenden Fall
wird dies dadurch erreicht, daß nur das Ölbrenner-Aggregat
durch die Plasmageneratoren ersetzt werden muß, natürlich zusammen mit der elektrischen Einrichtung
und einigen kleineren Zubehörteilen.
Während der Leistungsbedarf bei dem Einsatz von Plasmabrennern oder Ölbrennern praktisch gleich ist, ist
die Leistungsfähigkeit des Plasmabrenners höher als die des ölbrenners. Noch bedeutender ist jedoch, daß
fossile Brennstoffe, deren Preis äußerst schnell angestiegen ist, durch wesentlich weniger kostenaufwendige
elektrische Leistung erfindungsgemäß ersetzt werden können.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zum Erhitzen von Luft für industrielle
Zwecke auf eine vorgegebene Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster
Luftstrom durch einen Plasmagenerator (1) geleitet und in diesem auf eine zur Ionisierung von Stickstoff
und Sauerstoff und damit zur Bildung von Plasmagas ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, daß
diesem Plasmagas sofort anschließend ein Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Gut
in einer derartigen Menge zugesetzt wird, daß bei Reaktion des Gutes mit dem Plasmagas das
Verhältnis CO+H2/CO2+H2O wenigstens 0,1 beträgt,
wodurch die Bildung von Stickstoffoxid im wesentlichen vermeidbar ist, und daß unmittelbar
danach das Plasmagas und sein Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendes Zuschlaggut mit einem zweiten Luftstrom in einem derartigen
Verhältnis vermischt wird, daß die vorgegebene Temperatur im endgültigen Luftgemisch erzielt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmagas bei Verlassen des
Plasma-Generators (1) in Drehung versetzt wird und das Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltende
Gut derart in das Plasmagas eingeblasen wird, daß es eine zum Plasmagas entgegengesetzte
Drehrichtung erreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom einer
Reaktions- oder Mischzone (8) unmittelbar hinter der Stelle zugeführt wird, an der das Kohlenstoff
und/oder Kohlenwasserstoff enthaltende Gut in das Plasmagas eingeblasen wird.
4. Vorrichtung zum Erhitzen von Luft für industrielle Zwecke auf eine vorgegebene Temperatur,
dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Plasma-Generator (1) zur Erzeugung von Plasmagas mittels
eines Lichtbogens aufweist, welcher einen Einlaß (2) für einen ersten Luftstrom zur Bildung von
Plasmagas besitzt, daß an der Stelle, an welcher das Plasmagas den Plasma-Generator verläßt, eine
Blasform (3) mit Blaslanzen (4) für die Zufuhr von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff enthaltendem
Gut zum Plasmagas und unmittelbar daran anschließend eine Reaktions- oder Mischzone (8)
ausgebildet ist, in welche ein zweiter Einlaß (7) für einen vom Plasmagas zu erhitzenden zweiten
Luftstrom einmündet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung aufweist, durch
welche das Plasmagas bei Verlassen des Plasma-Generators (1) in Drehung versetzbar ist, und daß die
Blaslanzen (4) im wesentlichen tangential in die Blasform (3) derart einmünden, daß dem Kohlenstoff
und/oder Kohlenwasserstoff enthaltenden Gut eine dem Plasmagas entgegengesetzte Drehrichtung
erteilbar ist
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