DE3530683C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung eines Dreh­ rohrofens, bei dem ein flammenformendes sauerstoffhaltiges Primärgas durch einen Brenner zugeführt wird, während der Hauptteil des für die Verbrennung des Brennstoffes erforder­ lichen Sauerstoffs in Form von Sekundärluft außerhalb des Brenners in den Drehrohrofen eingeführt wird, wobei 3 bis 25 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge von Primärgas und Sekundärluft, das Primärgas ausmachen. Auch betrifft die Erfindung einen Brenner zur Durchführung dieses Verfahrens.

Drehrohröfen werden üblicherweise zur thermischen Behand­ lung mineralischer Rohstoffe, wie zur Herstellung von Ze­ ment oder Kalk oder zur Röstung von Eisenerzen verwendet und bestehen aus einem zum Brenner hin geneigten rotieren­ den Brennraum, dem die thermisch zu behandelnden minerali­ schen Rohstoffe am höhergelegenen Ende zugeführt werden. Am tiefergelegenen Ende des Brennraumes ragt der Brenner in sie hinein. Die Abgase der Verbrennung durchstreichen den Brennraum und treten am höhergelegenen Ende aus, wo sie gewöhnlich über einen Wärmetauscher und einen nachge­ schalteten Entstauber an die Atmosphäre abgeführt werden.

Typisch für Drehrohröfen ist es, daß nur ein kleiner Teil der für die Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen Luft, üblicherweise etwa 10%, durch den Brenner als Primär­ luft geführt wird, um der Flammenformung zu dienen, während der Hauptteil der für die Verbrennung erforderlichen Luft, gewöhnlich in der Größenordnung von 90%, als Sekundärluft mit meist hoher Temperatur (600-1000°C) im Brennerbereich, aber außerhalb des Brenners in den Drehrohrofen eingeführt wird.

Es ist bekannt, daß bei der Verbrennung im Brennstoff ent­ haltene Stickstoffverbindungen zu Stickoxiden NO _x verbrannt werden und daß außerdem ein Teil des Stickstoffs der zuge­ führten Verbrennungsluft thermisch ebenfalls zu Stickoxiden NO _x oxidiert wird.

Zunehmend wachsende Erkenntnisse über die Schädlichkeit von Stickoxiden zwingen dazu, auch bei Drehrohröfen die NO _x - Emission herabzusetzen. Insbesondere bei Zementbrennöfen entstehen bei der dort aus Qualitätsgründen erforderlichen und nur wenig veränderbaren Fahrweise mit hohen Verbrennungs­ temperaturen und Luftüberschuß relativ hohe NO _x -Emissionen, insbesondere durch thermisches NO _x .

Katalytische Verfahren zur NO _x -Minderung sind bei Zementöfen bisher noch nicht bekannt bzw. erprobt. Eine deutliche NO _x - Minderung ist daher zur Zeit nur mit bestimmten Bauarten und Verfahren von Zementanlagen möglich. Bei diesen Anlagen wird ein Teil des Brennstoffes in einem sogenannten Vorkalzinations­ brennraum, der zwischen dem Drehrohr und dem Wärmetauscher angeordnet ist, unter bestimmten definierten Bedingungen aufgegeben. Ein Umbau vorhandener Drehöfen auf dieses Ver­ fahren ist entweder gar nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich.

Bei Kohlenstaubbrennern für Kesselfeuerungen ist es bekannt, zur Minderung der NO _x -Emissionen diese Brenner als Stufen­ brenner auszubilden (z. B. DE-Z "Energie" Jahrgang 37, Nr. 3 (1985), Seiten 54 bis 67). Dabei wird das Kohlenstaub- Luftgemisch über einen ringförmigen Querschnitt dem Feuer­ raum zugeführt. Im brennermündungsnahen Bereich wird eine unterstöchiometrische primäre Verbrennungszone geschaffen, der sich eine Verbrennungszone mit Luftüberschuß anschließt. Derartige Stufenbrenner lassen sich aber ausschließlich für stehende oder liegende Brennkammern, nicht jedoch für Dreh­ rohröfen verwenden.

In obiger "Energie" findet sich auch ein allgemeiner Hinweis, daß durch Rauchgasrezirkulation in die Verbrennungsluft sich die NO _x -Bildung vermindern läßt. Ein Hinweis auf die Verwen­ dung eines Primärgases mit vermindertem Sauerstoffgehalt läßt sich dieser Literaturstelle nicht entnehmen.

Schließlich beschreibt die DE-OS 29 05 746 einen gattungsge­ mäßen Brenner für Drehrohröfen, bei dem eine Flammenformung mit einem Primärgas erfolgt. Als Primärgas wird dabei aber normale Luft verwendet, so daß keine Verminderung der NO _x - Bildung erreicht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein gattungsgemäßes Verfahren und einen Brenner zu dessen Durchführung anzugeben, mit denen die NO _x -Emissionen von Drehrohröfen aller Art einfach und billig herabgesetzt werden können, ohne die Funktionsweise und Leistung der Drehrohröfen einzuschränken.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Primärgas mit einem Sauerstoffgehalt von 2 bis 15 Vol.-% und einer Temperatur von 80 bis 350°C einführt.

Mit diesem Verfahren kann man die thermische NO _x -Bildung im Brennerbereich erheblich reduzieren, so daß die NO _x -Emissionen des Drehrohrofens um 45% und mehr herabgesetzt werden können, wobei die Produktqualität und der Wärmeverbrauch unverändert bleiben. Dieses Ergebnis ist äußerst überraschend, da nur ein relativ kleiner Anteil des dem Drehrohrofen zugeführten Primärgases sauerstoffarm gehalten wird, während die Sekun­ därluft, die einen Anteil von gewöhnlich mindestens 90% ausmacht, hinsichtlich des Sauerstoffgehaltes unverdünnt in die Brennkammer eingeführt wird.

Es ist überraschend, daß die thermische NO _x -Bildung vermin­ dert wird, wenn das Primärgas dem Brenner mit höherer Tempe­ ratur als üblich zugeführt wird. Dies ist im erfindungsgemä­ ßen Verfahren von Bedeutung, da durch die höhere Temperatur des Primärgases dessen geringerer Sauerstoffgehalt kompen­ siert wird. Dies bedeutet, daß die Temperatur des Primärga­ ses zweckmäßig umso höher ist, je niedriger sein Sauerstoff­ gehalt ist.

Günstige Sauerstoffgehalte des dem Brenner zugeführten Pri­ märgases liegen bei 4 bis 10 Vol.-%. Sauerstoffgehalte ober­ halb 15% ergeben einen relativ geringen Effekt bei der Re­ duzierung der NO _x -Emission.

Bevorzugte Temperaturen des dem Brenner zugeführten Primär­ gases liegen im Bereich von 140 bis 300°C. Ein mit 140 bis 160°C eingeführtes Primärgas erwies sich als hervorragend wirksam, wenn der Sauerstoffgehalt in dem obigen Bereich lag.

Wenn man dem Brenner sauerstoffhaltiges Primärgas mit einem gegenüber Luft verminderten Sauerstoffgehalt zuführt, so kann man dieses Primärgas aus verschiedenen Quellen nehmen. Be­ sonders zweckmäßig ist es, hierfür Abgase nach dem Drehrohr­ ofen, Abgase nach einem diesem abgasseitig nachgeschalteten Wärmetauscher oder Zwischengas aus dem Wärmetauscher zu ver­ wenden, und zwar als solche oder nach Vermischen untereinan­ der oder mit normaler Luft. Die Verwendung der sonst in die Atmosphäre gehenden Abgase hat den Vorteil, daß ein verfah­ renseigenes Abfallprodukt für die Verbesserung des Verfahrens ausgenutzt wird, und daß der Wärmeinhalt dieser Abgase zur Erzielung des erwünschten Effektes bezüglich einer Herab­ setzung der NO _x -Emissionen ausgenutzt wird.

So kann man für das dem Brenner zugeführte Primärgas jene Abgase verwenden, die direkt hinter dem Wärmetauscher ent­ nommen werden, welcher sich an das höherliegende Ende des Drehrohrofens anschließt. Solche Abgase haben beispielswei­ se einen Sauerstoffgehalt von etwa 4%.

Stattdessen können auch Abgase verwendet werden, die nach einer Trocknungsanlage entnommen werden, die dem Wärmeaus­ tauscher nachgeschaltet ist. Solche Abgase haben den Vor­ teil, daß sie bereits gereinigt sind, wenn sie nach dem Ent­ stauber entnommen werden.

Brauchbar ist auch das Zwischengas, das man im Zusammenhang mit Drehrohröfen aus Rostvorwärmeröfen gewinnt.

Auch können als Primärgas für den Brenner separat erzeugte sauerstoffarme Abgase verwendet werden, die bei der Verbren­ nung von Brennstoff in separaten kleinen Brennern entstehen.

In jedem Fall ist es zweckmäßig, bei der Verwendung von Ab­ gasen als Primärgas diese Abgase vor der Einführung in den Brenner zu entstauben, um ein eventuelles Verstopfen der Brennerdüsen zu vermeiden, oder zu kühlen.

Es kann zweckmäßig sein, als Trägergas für teilchenförmigen Brennstoff ein solches mit gegenüber Luft geringeren Sauer­ stoffgehalt zuzuführen. Auch ein beim Einsatz von flüssigem Brennstoff als Haupt- oder Stützbrennstoff eventuell erfor­ derliches Zerstäubungsmittel ist zweckmäßig gegenüber Luft sauerstoffärmer oder sauerstofffrei, wie Wasserdampf. Auch kann das Primärgas und Trägergas mit unterschiedlicher Temperatur eingesetzt werden.

Besonders zweckmäßig ist die Anwendung des Verfahrens in Verbindung mit Kohlenstaubbrennern, die heute allgemein in Verbindung mit Drehrohröfen verwendet werden.

Die Erfindung betrifft auch einen Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser Brenner besitzt bekanntermaßen konzentrisch angeordnete, zwischen sich Ka­ näle mit ringförmigem Querschnitt bildende Rohre, eine Primärgaszuführung und stromab einen Drallkörper in Verbin­ dung mit einem inneren dieser Kanäle, eine Brennstoffzu­ führung an einem weiter außen liegenden dieser Kanäle und eine Primärgaszuführung an einem noch weiter außen liegen­ den dieser Kanäle. Um einen solchen Brenner im erfindungsge­ mäßen Verfahren zu benutzen, ist erfindungsgemäß der Quer­ schnitt jedes Primärgas führenden Kanals des Brenners min­ destens etwa 1,2 mal, vorzugsweise mindestens etwa 1,3 mal, be­ sonders mindestens etwa 1,4 mal, größer als derjenige Quer­ schnitt, der zur Flammenformung mit dem Primärgas mit einer Temperatur von 20°C erforderlich ist.

Nach oben ergibt sich eine Begrenzung der Querschnittsfläche nur durch konstruktive Beschränkungen, da die Brennergröße nicht unbegrenzt sein kann. Es überrascht aber, daß bereits eine Querschnittsvergrößerung der Primärgas führenden Kanäle um den angegebenen Mindestwert zu einer einwandfreien Durch­ führbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens führt und eine ausgezeichnete Flammenformung ergibt.

Zweckmäßig sind die Primärgaszuführungen getrennt.

In der Zeichnung ist ein senkrechter Schnitt durch einen für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Brenner mit zwei Kanälen für die Zuführung des Primärgases, einem Kanal für partikelförmigen Brennstoff mit Trägerluft bzw. -gas und einem Düsenstock zur Zuführung von flüssigem oder gasförmi­ gem Brennstoff gezeigt.

Im innersten Mantelrohr 1 befindet sich der Düsenstock als Zuführung für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff für den Anfahrbetrieb und bei Verfeuerung besonders geringwertiger fester Brennstoffe als Stützflamme. Dieses innerste Mantel­ rohr ist zwischen der als Düsenstock dargestellten zentralen Zuführung und dem ersten Zuführrohr konzentrisch angeordnet, welches den ringförmigen inneren Kanal 2 umgibt. Durch diesen konzentrischen Kanal 2 strömt reine Luft oder Inertgas oder ein Gemisch aus beiden als Primärgas zur Erzeugung einer Divergenz- und Rotationskomponente über den Drallkörper 5 aus, der durch Einstellvorrichtungen 7 betätigt wird.

Radial nach außen wird im nächsten konzentrischen Kanal 3 das Kohlenstaub-Trägerluft- oder Trägergas-Gemisch mit nie­ drigstmöglicher Geschwindigkeit über die Brennstoffzuführung 14 zugeführt. Es strömt ohne jeden Einbau am Austritt axial oder, bei weniger verschleißenden Brennstoffen, über einen Divergenzkörper aus.

Im Außenkanal 4 strömt reine Luft oder Inertgas oder ein Ge­ misch aus beiden als Primärgas, die über die Primärgaszufüh­ rung 10 eingeführt werden und über Axialkörper austreten oder gegebenenfalls mit einem Auslaß 6 für leicht divergente Aus­ strömung in den Ofen geführt werden, der durch Einstellvor­ richtungen 8 betätigt wird.

Durch den mittleren Kohlenstaubkanal 3 vermeidet man mit Vorteil tote Ecken und damit Schwelbrand. Die einzelnen Vo­ lumenströme des Primärgases werden im inneren Kanal 2 für Divergenz und Rotation über die Einstellvorrichtungen 7, im äußeren Kanal 4 für Axialstrom mit schwacher Divergenz über die Verstellvorrichtungen 8 geregelt und können unterschied­ liche Mischungen aus Luft und Inertgas und unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Dazu können beispielsweise die Kanä­ le 2 und 4 mit getrennten Primärgebläsen beaufschlagt werden. Diesen werden Gasgemische aus unterschiedlichen Quellen oder in unterschiedlicher Mischung zugeführt. Dem Kanal 2 wird Primärgas über die Primärgaszuführung 13 zugeführt.

Die Austrittsgeschwindigkeiten aus den Kanälen 2 und 4 wer­ den für Divergenz und Rotation über die Verstellvorrichtung 9 und für Axialstrom und schwache Divergenz über die Ver­ stellvorrichtung 11 eingestellt.

Im Einströmteil werden durch niedrige Geschwindigkeiten und minimale Umlenkung hohe Standzeiten der Verschleißeinbauten 12 erzielt, die wegen des geringen Trägerlufteinsatzes klein bemessen und in kürzester Zeit ausgewechselt werden können.

Das Außenmantelrohr wird mit einer feuerfesten Ummantelung versehen und dient zugleich der Befestigung des Brenners im Brennerträger. Dadurch sind alle Einbauten in Betriebsposition des Brenners durch Einschubsysteme leicht auswechselbar. Auch die Verschleißeinbauten 12 sind leichter auswechselbar, so daß der Austausch nur minimale Unterbrechungen von we­ nigen Minuten hervorruft.

Da der Kanal 3 für Kohlenstaub-Trägerluft zwischen zwei Primärgaskanälen 2, 4 für z. B. Reinluft liegt, kann für die pneumatische Förderung wahlweise anstelle der Träger­ luft oder des Trägerluftinertgasgemisches auch ein gasförmi­ ger Hilfsbrennstoff eingesetzt werden, um beispielsweise die Zündung eines Brennstoffes mit besonders geringem Ge­ halt an flüchtigen Bestandteilen und hohem Aschegehalt zu verbessern. Außerdem wird durch diese Anordnung die Gefahr der Beschädigung des Außenmantelrohres oder der zentralen Zuführung der flüssigen oder gasförmigen Zündkomponente durch besonders abrasiven Brennstoff beseitigt.

Weiterhin kann der gezeigte Brenner auch noch um ein oder zwei weitere Kanäle erweitert werden.

Um den Kanal 4 kann ein weiterer Kanal angeordnet werden, in welchen zur Kühlung Wasser oder Kaltluft geleitet werden, das zur Brennerspitze geführt und dann nach Erwärmung wieder zurückgeleitet wird, d. h. das Kühlmedium wird nicht in den Brennraum entlassen.

Wahlweise oder zusätzlich kann zwischen Kanal 1 und Kanal 2 oder zwischen Kanal 3 und 4 ein weiterer Kanal für die För­ derung von partikelförmigem Brennstoff im Gemisch mit Luft bzw. Inertgas mit gleicher oder unterschiedlicher O₂-Konzen­ tration, Temperatur bzw. Austrittsgeschwindigkeit eingebaut werden.

Durch eine geeignete Einstellung der Austrittsgeschwindig­ keiten, -mengen, der einstellbaren Mischungen aus Inertgas und Luft sowie der wählbaren Temperaturen kann der Brenner hinsichtlich der Anforderungen an die NO _x -Minderung und die Qualitäts- sowie wirtschaftlichen Belange optimiert werden.

Beispiel

Mit einer 1000 t/d-Drehrohrofenanlage mit Zyklonvorwärmer zur Zementherstellung wurde unter Verwendung eines Brenn­ stoffes bestehend aus 30% Braunkohle und 70% Petrolkoks die Verminderung der NO _x -Emissionen durch Verdünnung der dem Brenner zugeführten Primärluft mit Ofenabgas untersucht.

Hierzu wurde direkt hinter dem Wärmetauscher entnommenes Ab­ gas mit einem Restsauerstoffgehalt von etwa 4% (WT-Abgas) verwendet, und dieses hatte eine Temperatur von ca. 330°C. Dieses Ofenabgas wurde mit Luft vermischt, so daß die Tempe­ ratur des Gasgemisches 150°C und der Sauerstoffgehalt des Gemisches von Primärluft und Abgas 13 Vol.-% betrug.

Bei Zuführung eines solchen Gemisches zu dem Brenner als Primärgas stellte man fest, daß die Klinkerqualität und der Wärmeverbrauch unverändert blieben.

Der NO _x -Gehalt im Abgas wurde jedoch bei dieser Verfahrens­ führung um ca. 20% gesenkt. Durch Optimierung der Verfah­ rensparameter läßt sich dieser Wert noch mindestens verdop­ peln.

Claims (11)

1. Verfahren zur Beheizung eines Drehrohrofens, bei dem ein flammenformendes sauerstoffhaltiges Primärgas durch einen Brenner zugeführt wird, während der Hauptteil des für die Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen Sauerstoffs in Form von Sekundärluft außerhalb des Brenners in den Dreh­ rohrofen eingeführt wird, wobei 3 bis 25 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge von Primärgas und Sekundärluft, das Primär­ gas ausmachen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Primärgas mit einem Sauerstoffgehalt von 2 bis 15 Vol.-% und einer Temperatur von 80 bis 350°C einführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Primärgas mit einem Sauerstoffgehalt von 4 bis 10 Vol.-% einführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Primärgas mit einer Temperatur von 140 bis 300°C einführt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man als Primärgas wahlweise Abgase nach dem Drehrohrofen, Abgase nach einem diesem abgasseitig nachgeschalteten Wärmetauscher, Zwischengas aus dem Wär­ metauscher oder ein Gemisch derselben untereinander oder mit Luft zuführt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man als Primärgas Abgase eines anderen Brenners zuführt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abgase vor dem Einführen in den Brenner entstaubt oder kühlt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man beim Einsatz von teilchenförmigem Brennstoff als Trägergas auch ein gegenüber Luft sauer­ stoffärmeres Trägergas einsetzt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man beim Einsatz von flüssigem Brenn­ stoff als Haupt- oder Stützbrennstoff als Zerstäubungs­ mittel ein gegenüber Luft sauerstoffärmeres oder sauer­ stofffreies Gas verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Primärgas und Trägergas mit unterschiedlicher Temperatur einsetzt.

10. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit konzentrisch angeordneten, zwi­ schen sich Kanäle (2, 3, 4) mit ringförmigem Querschnitt bildenden Rohren, mit einer Primärgaszuführung (13) und stromab einem Drallkörper (5) in Verbindung mit einem inneren Kanal (2), mit einer Brennstoffzuführung (14) an einem weiter außen liegenden Kanal (3) und mit einer Primärgaszuführung (10) an einem noch weiter außen lie­ genden Kanal (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Quer­ schnitt jedes primärgasführenden Kanals (2, 4) mindestens etwa 1,2 mal größer als derjenige Querschnitt ist, der zur Flammenformung mit dem Primärgas mit einer Temperatur von 20°C erforderlich ist.

11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärgaszuführungen (10, 13) getrennt sind.