DE3522883A1

DE3522883A1 - Verfahren und anlage zur waermebehandlung von feinkoernigem gut

Info

Publication number: DE3522883A1
Application number: DE19853522883
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Tiggesbaeumker; Manfred Dipl Ing Duerr; Wolfgang Dipl Ing Rother
Original assignee: Krupp Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1985-06-26
Filing date: 1985-06-26
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE3522883C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, ferner eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut, insbesondere bei der Herstellung von Zement, enthalten die Abgase der Brennzone im allgemeinen einen mehr oder weniger großen Anteil an Stickstoffoxiden (sogenannter NO_x-Gehalt). Die Bildung dieser Stickoxide geschieht teils durch Reaktion des Sauerstoffs mit dem Stickstoff der Verbrennungsluft, teils durch Oxidieren der Stickstoffverbindungen des Brennstoffes.

Der NO_x-Gehalt der Abgase der Brennzone ist nicht zuletzt wegen der hierdurch verursachten Abgas- Probleme unerwünscht. Es wurden daher bereits verschiedene Verfahren entwickelt, um den NO_x-Gehalt der Abgase zu verringern.

Ein Verfahren der im Obergbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art ust durch "ICS Proceedings", 1979, S.45, Fig.6, bekannt. Hierbei erfolgt die Calcination des vorgewärmten Gutes (d.h. seine Entsäuerung vor der Einführung in die Brennzone) in zwei Stufen: Die erste Stufe wird mit Abluft der Kühlzone unter Sauerstoffmangel betrieben, so daß ein CO-haltiges Gasgemisch aus dieser Vorcalcinationszone in die Ofenabgasleitung eintritt. In dieser Ofenabgasleitung bildet sich damit zunächst eine reduzierende Zone, in der ein Teil des NO_x zu Stickstoff reduziert wird. In dem anschließenden Teil der Ofenabgasleitung werden durch Einführung eines weiteren Teiles von Kühlerabluft Verbrennungsbedingungen geschaffen, so daß der Restausbrand des Brennstoffes und damit die zweite Stufe des Entsäuerungsprozesses erfolgt.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch mit gewissen Nachteilen behaftet. Da die in der Kühlerabluftleitung vorgesehene Vorcalcinationszone unter reduzierenden Bedingungen betrieben wird, erfolgt hier ein schlechter Ausbrand des für die Entsäuerung eingesetzten Brennstoffes. Da ferner durch die Vermischung der Abgase der Vorcalcinationszone mit den gesamten Abgasen der Brennzone reduzierende Bedingungen in der Ofenabgasleitung eingestellt werden müssen (um den gewünschten Abbau des in den Ofenabgasen enthaltenen NO_x zu erreichen), ist eine sehr große absolute Menge an CO in den Abgasen der Vorcalcinationszone erforderlich. Der vollständige Ausbrand dieser großen Menge CO im oberen Teil der Ofenabgasleitung erweist sich mit Rücksicht auf die kurze zur Verfügung stehende Zeit als sehr schwierig. Insgesamt ist daher weder die Verringerung des NO_x-Gehaltes der Ofenabgase, noch der wärmetechnische Wirkungsgrad des Verfahrens, insbesondere der erzielte Entsäuerungsgrad, zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art zu schaffen, das sich sowohl durch eine weitgehende Verringerung des NO_x-Gehaltes der Abgase der Brennzone, als auch durch einen guten Ausbrand eines wesentlichen Teiles des für die Calcination eingesetzten Brennstoffes auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird in die Abgase der Brennzone vor der Einmündung der Abgase der Vorcalcinationszone zusätzlicher Brennstoff eingeführt, wobei diese zusätzliche Brennstoffmenge sowie der Sauerstoffgehalt der Abgase der Brennzone so bemessen werden, daß in der Zone vor der Einmündung eine unterstöchiometrische Verbrennung in den Abgasen der Brennzone erfolgt und sich ein CO-Gehalt zwischen 0,05 und 1%, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8%, in den Abgasen der Brennzone einstellt. In dieser Zone werden damit reduzierende Bedingungen geschaffen. durch die ein wirksamer Abbau des NO_x-Gehaltes der Abgase der Brennzone erfolgt, indem das Kohlenmonoxid und die Kohlenstoffpartikel mit den Stickstoffoxiden unter Bildung von Stickstoff und Kohlendioxid reagieren.

Im Vergleich zu dem eingangs geschilderten bekannten Verfahren ist hierbei von besonderem Vorteil, daß die reduzierenden Bedingungen nur in den Abgasen der Brennzone, nicht in einem aus den Abgasen der Brennzone und den Abgasen der Vorcalcinationszone bestehenden Mischgasstrom eingestellt werden müssen. Dadurch läßt sich der für einen wirksamen Abbau des NO_x-Gehaltes erforderliche CO-Gehalt mit einer wesentlich geringeren absoluten CO-Menge erreichen, was den Vorteil hat, daß der Restausbrand des durch den Abbau des NO_x-Gehaltes nicht verbrauchten CO auf einer kürzeren Gasstrecke und daait vollständiger erfolgt.

Im Rahmen der Erfindung kann die Vorcalcinationszone entweder mit Sauerstoffüberschuß betrieben werden oder nah- bzw. unterstöchiometrisch gefahren werden. Im letzteren Falle wird ein Teilstrom der Abluft der Kühlzone unter Umgehung der Vorcalcinatnionszone in die an die Einmündung der Abgase der Vorcalcinationszone anschließende Zone eingeführt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung zweier in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele erläutert.

Die in Fig. 1 in ganz schematischer Form dargestellte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut, insbesondere zur Herstellung von Zement. Sie enthält einen die Vorwärmzone bildenden mehrstufigen Schwebegas-Wärmetauscher 1, von dem nur die beiden untersten Zyklonstufen 1 a und 1 b dargestellt sind.

Die Brennzone wird durch einen Drehrohrofen 2 gebildet, der über eine Ofenabgasleitung 3 mit dem Schwebegas-Wärmetauscher 1 verbunden ist.

Ein die Kühlzone bildender Kühler 4 ist mit der Ofenabgasleitung 3 über eine Kühlerabluftleitung 5 verbunden, die in ihrem an die Ofenabgasleitung 3 angrenzenden Bereich eine als Schleife ausgebildete Vorcalcinationszone 6 aufweist.

Diese Vorcalcinationszone 6 ist mit einer Brennstoffzuführung 7 versehen. Ferner mündet in die Vorcalcinationszone 6 eine von der zweituntersten Zyklonstufe 1 b des Schwebegas-Wärmetauschers 1- kommende Gutleitung 8 ein.

Die Kühlerabluftleitung 5 bzw. diee Vorcalcinationszone 6 mündet bei 9 in die Ofenabgasleitung 3 ein. Diese Einmündung 9 liegt beim dargestellten Ausführungsbeispiel in der unteren Hälfte der Ofenabgasleitung 3, jedoch deutlich über dem Einlaufgehäuse 10 und der Einmündung 9 befindet sich damit eine Zone 3 a der Ofenabgasleitung, die nur von den Abgasen des Frehrohrofens 2 durchströmt wird, während die anschließende Zone 3 b der Ofenabgasleitung 3 von den Abgasen des Drehrohrofens 2 und den Abgasen der Vorcalcinationszone 6 durchsetzt wird.

Die untere Zone 3 a der Ofenabgasleitung 7 ist mit einer Brennstoffzuführung 11 versehen. Weiterhin mündet in diese Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 eine von der zweituntersten Zyklonstufe 1 b kommende Gutleitung 12 ein. Zur Aufteilung des aus der Zyklonstufe 1 b ausgetragenen Gutes auf die Gutleitungen 8 und 12 ist eine nur schematisch angedeutete Verteilereinrichtung 13 vorgesehen.

Im Einlaufgehäuse 10 des Drehrohrofens 2 oder an einer sonstigen geeigneten Stelle, jedoch vor der Brennstoffzuführung 11, befindet sich ein Meßelement 14, das den NO_x-Gehalt der Ofenabgase mißt und einer Regeleinrichtung 15 zuführt. Diese Regeleinrichtung 15 steht ferner über gestrichelt angedeutete Leitungen mit den Brennstoffzuführungen 7 und 11 sowie mit der Verteilereinrichtung 13 in Verbindung.

Die Gutleitung 16 der untersten Zyklonstufe 1 a des Schwebegas-Wärmetauschers 1 mündet in bekannter Weise in das Einlaufgehäuse 10 des Drehrohrofens 2.

Die Wirkungsweise der dargestellten Anlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist folgendermaßen:

Das Gut wird zunächst in der vom Schwebegas- Wärmetauscher 1 gebildeten Vorwärmzone mit den heißen Abgasen des Drehrohrofens 2 und der Vorcalcinationszone 6 vorgewärmt. Wenigstens ein Teil des vorgewärmten Gutes wird dann über die Gutleitung 8 in die Vorcalcinationszone 6 eingeführt, die mit Abluft des Kühlers 4 sowie mit Brennstoff über die Brennstoffzuführung 7 versorgt wird. Diese Vorcalcinationszone 6 wird mit Sauerstoffüberschuß betrieben, so daß ein weitgehender Ausbrand des über die Brennstoffzuführung 7 zugeführten Brennstoffes und eine hohe Entsäuerung des Gutes erfolgt.

In der unteren Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 werden durch Einführung von Brennstoff (über die Brennstoffzuführung 11) und Wahl eines genügend niedrigen Sauerstoffgehaltes der Abgase des Drehrohrofens 2 reduzierende Bedingungen eingestellt, so daß in dieser Zone 3 a eine unterstöchiometrische, teilweise Verbrennung des zugeführten Brennstoffes erfolgt und sich ein CO-Gehalt zwischen 0,05 und 1%, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8%, einstellt. Der NO_x-Gehalt der Abgase des Drehrohrofens 2 wird daher in dieser Zone 3 a wirksam verringert, indem die Stickstoffoxide weitgehend in Stickstoff und CO₂ abgebaut werden. Das über die Gutleitung 12 in diese reduzierend betriebene Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 eingeführte Gut übt dabei eine katalytische Wirkung auf die Entstickung aus und dient zugleich zur Steuerung der Temperatur in dieser Zone, indem es die aus der Verbrennung entstehende Wärme durch Entsäuerung aufnimmt.

Im Bereich der Einmündung 9 vereinigen sich die sauerstoffhaltigen Abgase der Vorcalcinationszone 6 mit dem Abgasstrom der Zone 3 a. Die Verhältnisse werden nun so gewählt, daß in der oberen Zone 3 b der Ofenabgasleitung 3 Sauerstoffüberschuß herrscht, so daß hier ein Restausbrand des Brennstoffes und eine Restcalcination des Gutes erfolgt.

Zweckmäßig wird hierbei die NO_x-Konzentration dieser Abgase des Drehrohrofens 2 durch das Meßelement 14 gemessen. Entsprechend diesem NO_x-Meßwert wird der CO-Gehalt in der unteren Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 eingestellt, um einen weitgehenden Abbau des NO_x zu erreichen. Die Einstellung dieses CO-Gehaltes in der Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 erfolgt in erster Linie durch Aufteilung des Brennstoffes auf die Brennstoffzuführungen 7 und 11. In Abhängigkeit von der vorgenommenen Brennstoffaufteilung wird dann über die Verteilereinrichtung 13 das vorgewärmte Gut auf die Gutleitungen 8 und 12 aufgeteilt, um einerseits eine möglichst weitgehende Entsäuerung des Gutes und andererseits eine für den Abbau des NO_x optimale Temperatur in der Zone 3 a der Ofenabgasleitung 3 zu erzielen.

Die wirksame Länge der Zone 3 a, in der reduzierende Bedingungen eingestellt werden, läßt sich durch Wahl der Höhenlage der Brennstoffzuführung 11 beeinflussen.

Die Einmündung 9 der Kühlerabluftleitung 5 bzw. der Vorcalcinationszone 6 kann in konstruktiv unterschiedlicher Weise ausgebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, den Anschluß der Vorcalcinationszone 6 an die Ofenabgasleitung 3 über mehrere parallelgeschaltete, an unterschiedlichen Umfangsstellen in die Ofenabgasleitung 3 einmündende Teilleitungen vorzunehmen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

An die Kühlerabluftleitung 5 ist hierbei vor der Vorcalcinationszone 6 eine mit einer Klappe 20 versehene Abzweigleitung 5′ angeschlossen, die mit der Ofenabgasleitung 3 oberhalb der Einmündung 9 der Vorcalcinationszone 6 verbunden ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Vorcalcinationszone 6 nah- bzw. unterstöchiometrisch betrieben werden. In der Ofenabgasleitung 3 erstreckt sich daher die reduzierende Zone 3 a bis zur Einmündung der Abzweigleitung 5'. In der oberhalb dieser Einmündung der Abzweigleitung 5′ liegenden Zone 3 b herrscht Sauerstoffüberschuß, so daß hier eine Nachverbrennung der brennbaren Bestandteile der beiden unterstöchiometrisch betriebenen Brennzonen (Brennstoffzuführungen 7 und 11) erfolgt.

Mit der Anlage gemäß Fig. 2 ist eine optimale Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse zur maximalen Senkung des NO_x-Gehaltes möglich. Die Entstehung von NO_x aus Brennstoff ist nämlich nicht nur von dem Stickstoffgehalt, sondern auch von der Art des Brennstoffes abhängig. Außerdem bestimmen gewisse Reaktionen mit Rohmehlbeimengungen, wie Alkali, Chlor- und Schwefelverbindungen, das Restausbrennverhalten von Brennstoffen sowie die NO_x-Entstehung. Die Anlage gemäß Fig. 2 ermöglicht eine gute Anpassung an gegebenenfalls kurzfristig wechselnde Brennstoffqualitäten. Sollte dabei der über die Brennstoffzuführung 7 zugegebene Brennstoff auch bei niedriger Verbrennungstemperatur noch einen zu hohen NO_x-Anteil erzeugen, so kann durch Verschiebung der Luftverhältnisse eine NO_x-Minimierung erreicht werden. Der NO_x-Abbau in den Abgasen des Drehrohrofens bleibt dabei unverändert günstig.

Allgemein ist zu dem erfindungsgemäßen Verfahren (nach den Fig. 1 und 2) noch folgendes zu bemerken:

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird - im Unterschied zu dem eingangs geschilderten bekannten Verfahren - nicht der gesamte zur Vorcalcination dienende Brennstoff in Anwesenheit des gesamten Gutes unterstöchiometrisch verbrannt. Es wird vielmehr nur ein Teil des Brennstoffes in Anwesenheit der Abgase der Brennzone (Drehrohrofenabgase) unterstöchiometrisch verbrannt. Der Reaktionsraum ist dabei ein Teil des Calcinators und besitzt eine einfache Geometrie.

Nun führt vor allem das Zusammenspiel von heterogenen und homogenen Reaktionen während der Verbrennung zu NO_x-Abbau (Rückreaktion). Dabei ist es gleichgültig, welcher Genese dieses NO_x entstammt: entweder unmittelbar während der Verbrennung gebildetes NO_x oder aus externen Quellen (d.h. hier aus dem Drehrohrofenabgas) eingebrachtes NO_x.

Dieser Effekt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vortrefflich genutzt. Die während der unterstöchiometrischen Verbrennung entstehenden glühenden Kohlenstoffpartikel und dir kurzlebigen CH-, OH- und sonstigen Radikale können unmittelbar nach ihrer Entstehung an der katalytischen Rückreaktion von NO zu N₂ an der ersten Vorcalcinations- Brennstelle (Brennstoffzuführung 11) teilnehmen.

An der zweiten Brennstelle (Brennstoffzuführung 7) verläuft die Verbrennung bei niedriger Temperatur, die sich durch das zu calcinierende Rohmehl bei etwa 850°C einstellt. Thermisches NO wird hier nicht mehr erzeugt, sondern nur noch Brennstoff-NO. Wie Versuche zeigten, ergibt sich bei dieser Betriebsweise nur eine niedrige NO_x-Erzeugung. Die Betriebsbedingungen sind etwa mit Wirbelschichtfeuerungen vergleichbar, die sich bekanntlich durch eine niedrige NO_x-Emission auszeichnen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien nachstehend die Betriebsdaten (Luftüberschußzahlen λ und Gaskonzentrationen) für eine Anlage gemäß Fig. 1 genannt (als Brennstoff ist deutsche Steinkohle zugrundegelegt).

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut, insbesondere zur Herstellung von Zement, enthaltend folgende Verfahrensschritte:

a) das Gut wird zunächst in einer Vorwärmzone mit heißen Abgasen vorgewärmt;
b) wenigstens ein Teil des vorgewärmten Gutes wird dann in einer mit Brennstoff sowie Abluft einer Kühlzone versorgten Vorcalcinationszone (6) weiter erhitzt und entsäuert;
c) aus dieser Vorcalcinationszone (6) wird das Gut mit den Abgasen der Vorcalcinationszone in die Abgase einer Brennzone eingeführt und hierdurch weiter calciniert;
d) anschließend wird das Gut in der Brennzone fertiggebrannt und in der Kühlzone gekühlt;
e) der NO_x-Gehalt der Abgase der Brennzone wird in einer durch unterstöchiometrische Verbrennung erzeugten Reduktionszone verringert;
f) Die an die Reduktionszone anschließende, von den Abgasen der Vorcalcinationszone (6) und der Brennzone durchströmte Zone (3 b) wird mit Sauerstoffüberschuß betrieben;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
g) in die Abgase der Brennzone wird vor der Einmündung (9) der Abgase der Vorcalcinationszone (6) zusätzlicher Brennstoff eingeführt;
h) die Menge dieses zusätzlichen Brennstoffes sowie der Sauerstoffgehalt der Abgase der Brennzone werden so bemessen, daß in der Zone (3 a) vor der Einmündung (9) der Abgase der Vorcalcinationszone (6) eine unterstöchiometrische Verbrennung in den Abgasen der Brennzone erfolgt und sich in den Abgasen der Brennzone vor der Einmündung (9) ein CO-Gehalt zwischen 0,05 und 1%, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8%, einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merkmal:

i) die Vorcalcinationszone (6) wird mit Sauerstoffüberschuß betrieben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

i) die Vorcalcinationszone (6) wird nah- bzw. unterstöchiometrisch betrieben;
k) ein Teilstrom der Abluft der Kühlzone wird unter Umgehung der Vorcalcinationszone (6) in die an die Einmündung (9) der Abgase der Vorcalcinationszone anschließende Zone (3 b) eingeführt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte vorgewärmte Gut der mit Abluft der Kühlzone versorgten Vorcalcinationszone (6) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einstellbarer Teil des vorgewärmten Gutes der mit Abluft der Kühlzone versorgten Vorcalcinantionszone (6) zugeführt wird, während der Rest des vorgewärmten Gutes in die Abgase der Brennzone eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die NO_x-Konzentration der Abgase der Brennzone vor der Einführung des zusätzlichen Brennstoffes gemessen und der CO-Gehalt in der Zone (3 a) vor der Einführung der Abgase der Vorcalcinationszone (6) entsprechend diesem NO_xMeßwert eingestellt wird.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend

a) einen die Vorwärmzone bildenden mehrstufigen Schwebegas-Wärmetauscher (1),
b) einen die Brennzone bildenden Drehrohrofen (2),
c) eine den Drehrohrofen (2) mit dem Schwebegas- Wärmetauscher (1) verbindende Ofenabgasleitung (3).
d) einen die Kühlzone bildenden Kühler (4), der mit der Ofenabgasleitung (3) über eine Kühlerabluftleitung (5) verbunden ist,
e) wobei der an die Ofenabgasleitung (3) angrenzende Teile der Kühlerabluftleitung (5) eine Vorcalcinationszone (6) bildet, die mit wenigstens einer Brennstoffzuführung (7) versehen ist und in die eine von der zweituntersten Stufe (1 b) des Schwebegas-Wärmetauschers (1) kommende Gutleitung (8) einmündet,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
f) die Ofenabgasleitung (3) weist vor der Stelle, an der die Kühlerabluftleitung (5) einmündet, eine zusätzliche Brennstoffzuführung (11) auf.

8. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

g) an die Ofenabgasleitung (3) ist vor der Stelle, an der die Kühlerabluftleitung (5) einmündet, eine von der zweituntersten Stube (1 b) des Schwebegas-Wärmetauschers (1) kommende Gutleitung (12) angeschlossen;
h) es ist eine Verteilereinrichtung (13) zur Aufteilung des aus der zweituntersten Stufe e (1 b) des Schwebegas-Wärmetauschers (1) ausgetragenen Gutes auf die in die Vorcalcinationszone (6) mündende Gutleitung (8) und die in die Ofenabgasleitung (3) mündende Gutleitung (12) vorgesehen.

9. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgendes weiteres Merkmal:

g) an die Kühlerabluftleitung (5) ist vor der Vorcalcinationszone (6) eine Abzweigleitung (5′) angeschlossen, die mit der Ofenabgasleitung (3) oberhalb der Einmündung (9) der Kühlerabluftleitung (5) verbunden ist.