DE3817357A1

DE3817357A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung von feinkoernigem gut

Info

Publication number: DE3817357A1
Application number: DE19883817357
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl Ing Heinemann; Heinz-Herbert Dipl Ing Schmits
Original assignee: Krupp Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-11-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (entspre chend dem Oberbegriff des Anspruches 1) sowie eine Vorrichtung (gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 4) zur Wärmebehandlung von feinkörni gem Gut. Ein Verfahren entsprechend dem Oberbe griff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung ge mäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 4 sind bei spielsweise durch die EP-A- 1 98 996 bekannt. Die von der Kühlzone zugeführte Tertiärluft wird hier bei in Form von zwei einstellbaren Teilströmen im Bereich der beiden Brennstoff-Zugabestellen in die Vorcalcinationszone eingeführt, wobei die an der der Brennzone nähergelegenen Stelle zugegebene er ste Brennstoff-Teilmenge sowie der Sauerstoffge halt der diesen Bereich der Vorcalcinationszone durchsetzenden Gase so bemessen werden, daß in diesem Bereich eine unterstöchiometrische Verbren nung erfolgt und sich ein CO-Gehalt zwischen 0,05 und 1% einstellt. Bei dieser bekannten Ausführung durchströmen die Abgase der Brennzone sowie die in der Vorcalcinationszone durch Verbrennung des zu sätzlichen Brennstoffes erzeugten Heißgase die Vorcalcinationszone in gleicher Richtung (nämlich aufsteigend in der den Drehrohrofen mit dem Zyklon vorwärmer verbindenden Gasleitung).

Aus der Praxis ist weiterhin eine Ausführung be kannt, bei der die Ofenabgase und die Tertiärluft als weitgehend gesonderte, parallele Strömungen die die Vorcalcinationszone bildende Gasleitung zwischen Drehrohrofen und Zyklonvorwärmer durch setzen. Durch diese Trennung von Ofenabgasen und Verbrennungsluft in der Vorcalcinationszone sollen in den Ofenabgasen reduzierende Bedingungen ge schaffen und auf diese Weise in den Ofenabgasen enthaltenes NO_x abgebaut werden. Wie Untersuchun gen zeigen, ergibt sich jedoch bei dieser bekann ten Ausführung auch bei Vorhandensein einer langen Reaktionsstrecke nur ein sehr mäßiger NO_x-Abbau.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1) sowie eine Vorrichtung (gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 4) zu entwickeln, die mit geringem anlagentechnischen Aufwand einen starken Abbau des in den Abgasen der Brennzone enthaltenen NO_x ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge genstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden in der Vor calcinationszone zwei entgegengerichtete Drallströ mungen erzeugt, nämlich eine von oben nach unten gerichtete innere Drallströmung, die mit Luftüber schuß und heißem Flammenkern betrieben wird, und eine von unten nach oben gerichtete, die innere Drallströmung einschließende äußere Drallströmung, die mit reduzierender Atmosphäre betrieben wird. Beide Wirbel bilden an ihrer Berührungsfläche eine ringförmige, hochturbulente Mischzone, in der das in Hochtemperaturbereichen (insbesondere in der Brennzone) gebildete NO_x weitestgehend abgebaut wird und in der der Restausbrand des Brennstoffes auf niedrigem Temperaturniveau erfolgt.

Indem beiden Drallströmungen in ausreichender Men ge (geregelt oder gesteuert) Gut zugeführt wird, das infolge der ablaufenden Entsäuerung viel Wärme aufnimmt, werden örtliche Überhitzungen an den Wänden der Vorcalcinationszone vermieden.

Da sich die Drallströmungen recht stabil verhalten und nur ein verhältnismäßig geringes Reaktorvolu men benötigen, läßt sich auf engem Raum und mit geringem anlagentechnischen Aufwand ein ausgezeich neter Abbau des NO_x erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 ein Gesamtschema einer erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorcalcinations zone,

Fig. 3 bis 6 Schnitte längs der Linien III-III, IV-IV, V-V bzw. VI-VI durch die Vorcalcinationszone,

Fig. 7 eine der Fig. 3 entsprechende Schnitt darstellung mit eingetragenem Strömungs bild.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Anlage zur Wärme behandlung von feinkörnigem Gut, insbesondere zum Brennen von Zement, enthält eine nur teilweise ver anschaulichte Vorwärmzone 1, die aus einer Anzahl von Zyklonen, beispielsweise den Zyklonen 2 und 3 der beiden untersten Stufen, besteht.

Die Anlage enthält weiterhin eine im einzelnen noch erläuterte Vorcalcinationszone 4, eine durch einen Drehrohrofen 5 gebildete Brennzone sowie eine nicht im einzelnen veranschaulichte Kühlzone.

Das Einlaufgehäuse 6 des Drehrohrofens 5 steht über eine Gasleitung 7 mit der Vorcalcinationszo ne 4 in Verbindung, die ihrerseits über eine Gas leitung 8 an den Zyklon 2 angeschlossen ist, der seinerseits über eine Gasleitung 9 in bekannter Weise mit dem nächsten Zyklon 3 der Vorwärmzone 1 verbunden ist.

Von der Kühlzone führt eine Tertiärluftleitung 10 zum oberen Ende der Vorcalcinationszone 4. In die ser Tertiärluftleitung 10 ist eine Drosselklappe 11 angeordnet.

Das aus dem Zyklon 3 ausgetragene Gut gelangt, wenn sich eine Umstellklappe 12 in der dargestell ten Lage befindet, zu einer Verteilerklappe 13, über die eine erste Gut-Teilmenge (Leitung 14) in die Tertiärluftleitung 10 eingeführt und dem obe ren Ende der Vorcalcinationszone 4 zugeleitet wird, während eine zweite Gut-Teilmenge (Leitung 15) in den unteren Bereich der Vorcalcinationszone 4 ge langt.

Wird die Umstellklappe 12 umgestellt, so gelangt das aus dem Zyklon 3 ausgetragene Gut über die Leitung 16 in die Gasleitung 7.

Das im Zyklon 2 abgeschiedene Gut wird über eine Leitung 17 dem Einlaufgehäuse 6 zugeführt. Ebenso kann aus der Vorcalcinationszone 4 ausfallendes Gut über eine Leitung 18 dem Einlaufgehäuse 6 zu geleitet werden.

Anhand der Fig. 3 bis 6 sei nun der Aufbau der Vorcalcinationszone 4 im einzelnen erläutert.

Die Vorcalcinationszone 4 enthält eine obere Drall kammer 19, die mit einer Tertiärluftzuführung 20 (Anschluß der Tertiärluftleitung 10), einer Brenn stoffzuführung 21, einer Gutzuführung 22 und einer Einrichtung 23 zur Drallerzeugung versehen ist. Die Einführung des vorgewärmten Gutes in die obe re Drallkammer 19 kann entweder - wie dies in den Fig. 3 und 4 angedeutet ist - über die in der Decke der oberen Drallkammer 19 vorgesehene Gutzufüh rung 22 erfolgen oder die Guteinleitung kann - wie dies in Fig. 1 angedeutet ist - zusammen mit der Einführung der Tertiärluft erfolgen, indem das Gut über die Leitung 14 zunächst in die Tertiärluft leitung 10 eingetragen wird.

Die Vorcalcinationszone 4 enthält weiterhin eine untere Drallkammer 24, die eine an die Gasleitung 7 angeschlossene tangentiale Gaszuführung 25 auf weist und mit Einrichtungen 26 zur Drallerzeugung versehen ist.

Zwischen den beiden Drallkammern 19 und 24 ist koaxial, gleichfalls mit vertikaler Achse, ein NO_x-Reduktionsraum 27 vorgesehen, der aus einem sich von unten nach oben erweiternden Diffusor 28 und einer sich an das obere Ende des Diffusors anschließenden Mischkammer 29 besteht. Der Diffu sor 28 ist mit seiner unteren Stirnseite an die untere Drallkammer 24 angeschlossen, während die obere Stirnseite der Mischkammer 29 mit der oberen Drallkammer 19 verbunden ist.

Der untere Bereich des Diffusors 28 weist eine Brennstoffzuführung 30 sowie eine Gutzuführung 31 (Anschluß der Leitung 15 gemäß Fig. 1) auf. Die zylindrische Mischkammer 29 ist mit einem radia len Auslaß 32 für Gas und Gut versehen.

Die Auslaßöffnung 33 der oberen Drallkammer 19 besitzt einen Durchmesser, der zwischen dem 0,4- und 0,7-fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,5- und 0,6-fachen des Durchmessers des Hauptteiles dieser Drallkammer liegt. Der Durchmesser der Mischkammer 29 ist ein Mehrfaches des Durchmessers der Auslaß öffnung 33 der oberen Drallkammer 19.

An die untere Stirnseite der unteren Drallkammer 24 ist ein Trichter 34 angeschlossen, der über die Leitung 18 (Fig. 1) mit dem Einlaufgehäuse 6 des Drehrohrofens 5 in Verbindung steht.

In der Gasleitung 7, die den Drehrohrofen 5 mit der unteren Drallkammer 24 verbindet, ist eine als Düse ausgebildete Drosselstelle 35 vorgesehen.

Die Funktion der Anlage nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im einzelnen wie folgt (wobei zur Erläuterung auf das Strömungsbild gemäß Fig. 7 Bezug genommen wird) .

In die obere Drallkammer 19 wird Tertiärluft mit ca. 80% der im Zyklon 3 abgeschiedenen, vorge wärmten Gutmenge eingeführt. Die Tertiärluft und das mehlförmige Gut werden gemeinsam verdrallt, was zu einem das feuerfeste Mauerwerk der Drall kammer 19 schützenden Gutschleier an der Wand führt.

Im Zentrum der oberen Drallkammer 19 werden ca. 80% des der Vorcalcinationszone zugeführten Brennstoffes (das sind ca. 40% des Gesamtbrenn stoffes bei einer Vorcalcinationsrate von 50%) in Form einer offenen Flamme verbrannt. Durch die re lativ kleinflächige Auslaßöffnung 33 tritt das Ab gas der oberen Drallkammer 19 mit hoher Umfangsge schwindigkeit aus und wird in den Kern des von un ten aufsteigenden verdrallten Ofenabgases einge saugt.

Das der unteren Drallkammer 24 zugeführte Ofenab gas wird in eine aufsteigende Drallströmung ge bracht, die vorzugsweise die gleiche Drallrichtung wie die obere Drallströmung aufweist. Direkt ober halb der unteren Drallkammer 24 wird in den unte ren Bereich des Diffusors 28 Brennstoff eingebla sen (Brennstoffzuführung 30), um auf diese Weise eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen, die NO_x abbaut. Damit die Temperatur in dem NO_x-Reduktions raum 27 ein Maximum nicht überschreitet, wird über die Gutzuführung 31 eine geeignete Gutmenge (im oben genannten Beispielsfall 20% des vorgewärmten Gutes) unmittelbar oberhalb der Brennstoffzufüh rung 30 in den Diffusor 28 eingestreut.

Infolge der im Diffusor 28 herrschenden Druckdiffe renz entsteht eine Zirkulationsströmung (Pfeile 36 in Fig. 7), die an den Berührungsflächen der inne ren und äußeren Drallströmung (Pfeile 37, 38) ab wärts gerichtet ist und die an der Konuswand des Diffusors 28 wieder aufwärts strömt.

Die Berührungszone der beiden Drallströmungen 37, 38 ist sehr turbulent, was zu einer innigen Durch mischung von Gut, reduziertem Ofenabgas, nicht in der oberen Drallkammer 19 verbranntem Brennstoff und O₂-haltigem Rauchgas führt. In dieser Grenz schicht erfolgt der überwiegende Abbau von NO_x im Ofenabgas.

Da das vorhandene Gut infolge der ablaufenden CO- Austreibung (Calcination) viel Wärme aufnimmt, steigt die Temperatur in dem genannten Bereich nicht wesentlich über die Entsäuerungstemperatur des Gutes an, so daß kein neues NO_x gebildet wird.

In der großen zylindrischen Mischkammer 29 am obe ren Ende des Diffusors 28 steht genügend Zeit und Turbulenz zur Verfügung, um auf niedrigem Tempera turniveau das entstandene CO in CO₂ umzusetzen.

Der in der unteren Drallkammer 24 abgeschiedene Staub und evtl. durchfallendes Gut wird im Trich ter 34 gesammelt und dem Einlaufgehäuse 6 des Drehrohrofens 5 zugeführt.

Durch die in der Gasleitung 7 vorgesehene Drossel stelle 35 wird die zwischen dem Drehrohrofen 5 und der Vorcalcinationszone 4 vorhandene Druckdiffe renz ausgeglichen. Auf diese Weise ist es möglich, ein strömungstechnisch optimal gestaltetes Einlauf gehäuse 6 zu verwenden und ein ungünstiges Längen- Breiten-Verhältnis des Austrittsquerschnitts die ses Einlaufgehäuses zu vermeiden.

Die beschriebene Vorcalcinationszone 4, die einen ausgezeichneten NO_x-Abbau ermöglicht, gestattet auch eine Aufstellung außerhalb des Vorwärmertur mes. Besonders gut fügt sich diese Vorcalcinations zone in einen einflutigen Wärmetauscher ein.

Bedingt durch die Drallströmungen ist eine hohe thermische Volumenbelastung möglich, was zu einer geringen Baugröße führt.

Der konstruktive Aufbau ist aufgrund der Verwendung einfacher geometrischer Körper unkompliziert und erfordert zur Aussteifung wenig Verrippung. Die re lativ kleine Oberfläche ergibt niedrige Wärmever luste.

Zum Anfahren der Anlage kann das Gut vom Zyklon 3 über die Leitung 16 der Gasleitung 7 oberhalb der Drosselstelle 35 zugeführt werden. Die untere Drallkammer 24 der Vorcalcinationszone 4 wirkt dann wie ein Zyklon und scheidet das Gut zur Auf gabe in das Einlaufgehäuse 6 ab. Das in der unte ren Drallkammer 24 nicht abgeschiedene Gut wird im Zyklon 2 abgeschieden und gelangt gleichfalls in den Drehrohrofen.

Während die von unten nach oben gerichtete äußere Drallströmung 38 mit reduzierender Atmosphäre be trieben wird, wird die von oben nach unten gerich tete innere Drallströmung 37 mit Luftüberschuß und heißem Flammenkern betrieben. Zur Überwachung kann die obere Drallkammer 19 mit einem Pyrometer aus gerüstet werden. Anhand des so gewonnenen Tempera turmeßwertes wird die Menge der über die Tertiär luftleitung 10 zugeführten Tertiärluft durch Ein stellung der Drosselklappe 11 geregelt.

Claims

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

a) das Gut wird zunächst in einer Vorwärmzone (1) vorgewärmt;
b) es wird dann in der von den heißen Abgasen einer Brennzone (5) durchströmten und mit zusätzlichem Brennstoff versorgten Vorcal cinationszone (4) weiter erhitzt und ent säuert;
c) anschließend wird das Gut in der Brennzone (5) fertiggebrannt und hiernach in einer Kühlzone gekühlt;
d) der Brennstoff wird der Vorcalcinationszone (4) in wenigstens zwei Teilmengen an unter schiedlichen Stellen aufgegeben;
e) der Vorcalcinationszone (4) wird ferner von der Kühlzone Tertiärluft zugeführt;
f) das in der Vorwärmzone (1) vorgewärmte Gut wird in wenigstens zwei Teilmengen im Be reich der Zugabe der beiden Brennstoff-Teil mengen in die Vorcalcinationszone (4) einge führt;

gekennzeichent durch folgende Merkmale:

g) in der Vorcalcinationszone (4) wird aus der Tertiärluft, einer ersten Brennstoff-Teil menge und einer ersten Gut-Teilmenge eine von oben nach unten gerichtete innere Drall strömung (37) erzeugt, die mit Luftüberschuß und heißem Flammenkern betrieben wird;
h) in der Vorcalcinationszone (4) wird ferner aus den Abgasen der Brennzone (5), einer zweiten Brennstoff-Teilmenge und einer zwei ten Gut-Teilmenge eine von unten nach oben gerichtete, die innere Drallströmung (37) einschließende äußere Drallströmung (38) er zeugt, die mit reduzierender Atmosphäre be trieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Drallströmungen (37, 38) gleiche Drallrichtung aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die der inneren Drallströmung (37) zu geführte erste Gut-Teilmenge 65 bis 95%, vor zugsweise 75 bis 85% der gesamten, der Vorcal cinationszone (4) zugeführten Gutmenge beträgt.

4. Vorrichtung zur Wärmebehandlung von feinkörni gem Gut, enthaltend

a) eine Vorwärmzone (1) zur Vorwärmung des Gu tes,
b) eine von den heißen Abgasen einer Brennzone (5) durchströmte und mit zusätzlichem Brenn stoff versorgte Vorcalcinationszone (4) zur weiteren Erhitzung und Entsäuerung des vor gewärmten Gutes,
c) eine Brennzone (5) zum Fertigbrennen des Gutes
d) sowie eine Kühlzone zum Kühlen des fertig gebrannten Gutes,
e) wobei die Vorcalcinationszone (4) mit we nigstens einer an die Kühlzone angeschlos senen Tertiärluftzuführung (20), wenigstens zwei Brennstoffzuführungen (21, 30) und we nigstens zwei Gutzuführungen (22, 31) verse hen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale der Vor calcinationszone (4):
f) es ist eine obere Drallkammer (19) vorgese hen, die mit der Tertiärluftzuführung (20), einer Brennstoffzuführung (21), einer Gut zuführung (22) und Einrichtungen (23) zur Drallerzeugung versehen ist und die aus der Tertiärluft, einer ersten Brennstoff-Teil menge und einer ersten Gut-Teilmenge eine von oben nach unten gerichtete innere Drall strömung (37) erzeugt,
g) es ist eine untere Drallkammer (24) vorge sehen, die mit der an die Brennzone (5) an geschlossenen Gaszuführung (25) sowie mit Einrichtungen (26) zur Drallerzeugung ver sehen ist und die aus den Abgasen der Brenn zone eine von unten nach oben gerichtete, die innere Drallströmung (37) einschließende äußere Drallströmung (38) erzeugt,
h) zwischen den beiden Drallkammern (19, 24) und koaxial zu diesen ist ein NO_x-Reduktions raum (27) vorgesehen, dessen untere Stirnsei te an die untere Drallkammer (24) und dessen obere Stirnseite an die obere Drallkammer (19) angeschlossen ist, der ferner in sei nem unteren Bereich mit einer Brennstoff zuführung (30) und einer Gutzuführung (31) versehen ist und der in seinem oberen Be reich umfangsseitig einen Auslaß (32) für Gas und Gut aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der NO_x-Reduktionsraum (27) durch einen sich von unten nach oben erweiternden Diffusor (28) und eine sich an das obere Ende des Diffusors anschließende Mischkammer (29) mit einen Auslaß (32) für Gas und Gut gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die an der unteren Stirnseite der oberen Drallkammer (19) vorgesehene Auslaßöff nung (33) einen Durchmesser aufweist, der zwi schen dem 0,4- und 0,7-fachen, vorzugsweise zwi schen dem 0,5- und 0,6-fachen des Durchmessers des Hauptteiles dieser Drallkammer liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß an die untere Stirnseite der un teren Drallkammer (24) ein Trichter (34) ange schlossen ist, der mit der Guteintrittsseite der Brennzone (5) in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Brenn zone durch einen Drehrohrofen (5) gebildet wird, dessen Einlaufgehäuse (6) über eine Gasleitung (7) mit der Vorcalcinationszone (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Gas leitung (7) oberhalb des Einlaufgehäuses (6) eine als Düse ausgebildete Drosselstelle (35) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in der das vorgewärmte Gut aus der Vorwärmzone (1) austragenden Gutleitung ein Verteilerorgan (Verteilerklappe 13) vorge sehen ist, durch das die der oberen Drallkammer (19) und die dem NO_x-Reduktionsraum (27) zuge führten Gut-Teilmengen einstellbar sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, da durch gekennzeichnet, daß in der das vorge wärmte Gut aus der Vorwärmzone (1) austragen den Gutleitung ein Stellorgan (Umstellklappe 12) vorgesehen ist, durch das ein einstellba rer Teil des Gutes in die den Drehrohrofen (5) mit der Vorcalcinationszone (4) verbindende Gasleitung (7), vorzugsweise oberhalb der Dros selstelle (35), einführbar ist.