DE4142401A1 - Verfahren zum betrieb einer auf einem oder mehreren brennern basierenden beheizung eines ofens - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer auf einem oder mehreren brennern basierenden beheizung eines ofens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer auf einem oder mehreren Brennern basierenden Beheizung eines Ofens, z. B. eines Schmelzofens für Metalle oder Glas, zur Senkung der Stickoxidbildung.
Bei der Befeuerung von verschiedensten Öfen oder Anlagen tritt aufgrund der gewachsenen Ansprüche und Notwendig­ keiten hinsichtlich des Umweltschutzes verstärkt die Anforderung auf, die Bildung von bei der Befeuerungs- Verbrennung entstehenden Stickoxiden zu minimieren. Diese Stickoxide werden insbesondere bei hohen Temperaturen in und bei der Heizbrenner-Flamme gebildet. Die Flammen­ temperatur kann dabei durch die Einstellung des Brenn­ gas/Luft- oder Brenngas/Sauerstoff-Verhältnisses variiert werden.
Zur Verringerung der NOx-Bildung ist es deshalb bislang z. B. aus der US-PS 28 00 175 und der EP-PS 00 38 257 bekannt, Verbrennungsgase die im Ofen zirkulieren erneut der Verbrennung zuzuführen. Damit wird dem Verbrennungs­ ablauf ein praktisch inertes, sich nicht an der Verbrennung beteiligendes Gas zugemischt, wodurch eine Flammentemperaturerniedrigung und eine geringere NOx- Bildung erreicht werden. Bei diesen Lösungen wird also über die Rezirkulation von Verbrennungsgasen - sei es über eine äußere Rückführung oder über ein Ansaugen von Verbrennungsgasen im Ofen durch entsprechend ausgelegte Brenner - eine Verbesserung erzielt. Dies findet vor allem bei Sauerstoffbrennern Anwendung.
Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht ebenfalls darin, bei der Befeuerung von Öfen eine Verfahrensweise anzugeben, die zu einer Verringerung der NOx-Bildung bei der Verbrennung der Brennstoffe mit Luft, reinem Sauer­ stoff oder auch sauerstoffangereicherter Luft führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einerseits der zugehörige Brenner stark unterstöchio­ metrisch betrieben wird und andererseits der zur Verbrennung des Brennstoffs fehlende Sauerstoff in Form von sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff getrennt vom Brenner derart in den zu befeuernden Ofen eingeleitet wird, daß die Flamme und die angereicherte Luft bzw. der Sauerstoff erst mit deutlichem Abstand zum Brennermund aufeinander treffen, d. h. diese sich nicht unmittelbar nach dem Brennermund vermischen, und daß der Bewegungsimpuls der Verbrennungsgase und der Bewegungs­ impuls der zugeführten angereicherten Luft oder des zugeführten Sauerstoffs nicht gleichsinnig parallel gerichtet sind.
Durch die zweigeteilte Zufuhr des zur Verbrennung notwen­ digen Sauerstoffs ergibt sich eine verzögerte Verbrennung des Brennstoffes, z. B. Öl oder Erdgas, auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau. In der Folge tritt eine im Ver­ gleich zum etwa stöchiometrischen Brennerbetrieb wesentlich reduzierte NOx-Erzeugung auf.
Mit besonderen Vorteilen ist diese Vorgehensweise dann verbunden, wenn ein Brenner für sauerstoffangereicherte Luft oder ein Sauerstoffbrenner bei einer Befeuerung in Anwendung sind. Diese Brennertypen sind besonders leistungs­ fähig, wobei jedoch im Normalbetrieb hohe Flammen­ temperaturen auftreten, deren Folge eine intensive NOx- Bildung bei gegebenem N2-Zuritt ist - wie dies bei undichten Öfen und/oder stickstoffhaltigem Erdgas vorliegt. Die NOx-Bildung wird nun mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren speziell in diesen Anwendungsfällen besonders stark vermindert. Jedoch werden auch bei Luftbrennern mit vorliegender Erfindung merkliche Verbesserungen erzielt, womit der Verfahrenseinsatz auch dabei von Vorteil ist. Der getrennt vom Brenner zugeführte Sauerstoff oder die sauerstoffangereicherte Luft sorgen in allen Anwendungsfällen für eine optimal funktionierende und Energie liefernde Nachverbrennung, die beispielsweise mit Luft in der Effizienz nicht erzielbar ist.
Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich, wenn der jeweilige Brenner in der Weise unterstöchiometrisch betrieben wird, daß nur 70 bis 10%, vorzugsweise 60 bis 20%, des Sauerstoffs zugeführt werden, die für eine stöchiometrische Verbrennung notwendig wären. Oberhalb der angegebenen Sauerstoffzugabe zum Brenner treten, wie zu erwarten, immer noch hohe Temperaturen in der Brennerflamme auf und führen zu der zu vermeidenden starken NOx- Bildung. Die Untergrenze wird durch eine noch gewähr­ leistete Brennerfunktion und auch günstige Nachverbren­ nungsabläufe im Ofeninnern gegeben.
Mit weiteren Vorteilen ist die Zugabe des zur Verbrennung fehlenden Sauerstoffs an mehr als einer weiteren Stelle im Ofen, getrennt vom Brenner verbunden, d. h. es wird sekundärer, tertiärer und gegebenenfalls quartärer Sauer­ stoff zugeführt, wobei die Bezeichnung von der Entfernung der Zugabestelle vom Brenner ausgeht. Durch eine Mehrzahl von Zugabestellen sind für die zweite Verbrennungsstufe des Brennstoffs im Ofen verbesserte Bedingungen ein­ stellbar.
Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die sekundäre Sauerstoffzuleitung benachbart zum (Haupt-) Brenner erfolgt und aber der Sauerstoff oder die angereicherte Luft divergierend bezüglich der (Haupt-) Brennerausrichtung in den Ofeninnenraum eingeleitet wird. Dadurch treffen der Sauerstoff und die Flammgase erst mit Abstand zum Brennermund aufeinander, und es wird insgesamt eine günstige Verteilung des Sauerstoffs und der Verbrennung im Ofeninnenraum erreicht, insbesondere werden eng begrenzte Hitzezonen vermieden.
Mit Vorteilen ist in der Regel eine Verfahrensweise derart verbunden, daß die Zufuhr wenigstens eines Teils des zuzuführenden Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicher­ ten Luft in der Umgebung der Abzugsöffnung des Ofens erfolgt. Im Falle eines Drehtrommelofens ist es günstig die sekundäre und gegebenenfalls auch weitere Sauerstoff­ zugaben nahe bei oder auf der Drehachse und von den Ofenenden her durchzuführen.
Anhand der Figur soll im folgenden die erfindungsgemäße Verfahrensweise und deren Einsatz bei einer entsprechenden Ofenanlage beispielhaft näher beschrieben werden.
Die Figur zeigt einen Drehtrommelofen 1 für das Schmelzen von beispielsweise Grauguß- oder Blei-Schmelzgut, bezeich­ net mit der Bezugsziffer 2. Eine Drehtrommel 3, die den Schmelzraum umschließt, wird einseitig mit einem auf der Trommelachse A angeordneten Sauerstoffbrenner 4 beheizt, wobei die erzeugte Brennerflamme durch eine Linie 5 angedeutet ist. Hinter dem Sauerstoff-Feuerungsbrenner 4, ist eine Zugabevorrichtung 11 für Schmelzgut angedeutet, mit der dem Drehtrommelofen bei zurückgeklapptem Brenner 4 Schmelzgut zugeführt werden kann. Benachbart zum Brenner 4 ist eine in den Ofeninnenraum gerichtete Sauerstofflanze 8 angeordnet, die zusammen mit dem Brenner ausklappbar und in Längsrichtung verschiebbar ausgebildet ist. Unter Umständen kann auch die Anwendung mehrerer, benachbart zum Brenner angeordneter Sauerstofflanzen günstig sein. Auf der der Brennerseite gegenüber liegenden Seite der Drehtrommel 3 befindet sich eine Abzugsöffnung 6, durch die Abgase die Drehtrommel 3 verlassen können. An die Abzugsöffnung 6 schließt sich ein Abgaskanal 7 an. Eine weitere Sauerstofflanze 9 ist im Abgaskanal 7 bis in die Drehtrommel 3 hineinreichend und in deren Innenraum gerichtet angeordnet.
Die Sauerstofflanzen 8, 9 sind beim üblichen Ofenbe­ trieb nicht vorhanden. Erfindungsgemäß wird der gezeigte Sauerstoff-Feuerungsbrenner 4 der beispielweise mit Erd­ gas als Brennstoff betrieben wird nun in unterstöchio­ metrischen Betrieb gefahren, in günstiger Weise mit einem Erdgas-zu-Sauerstoff-Verhältnis von 1 : 1. Die stöchiometrischen Verhältnisse bestehen gemäß
CH4 + 2 O2=CO2 + 2 H2O
in einer Proportion von 1 : 2. Demgemäß liegt die erfindungsgemäße Sauerstoffgaszufuhr 50% unterhalb der stöchiometrischen Verhältnisse, es wird somit nur die Hälfte des für den stöchiometrischen Betrieb erforder­ lichen Sauerstoffs zugeführt.
Werden also in einem gängigen Ofenbetrieb im Standardfall etwa 100 Nm3 Erdgas mit 200 Nm3 Sauerstoff pro Stunde verbrannt, so erfolgt erfindungsgemäß lediglich die Zufuhr von 100 m3 Sauerstoff zum Sauerstoff-Feuerungs­ brenner 4. Die Zufuhr der verbleibenden 100 m3 Sauer­ stoff erfolgt über die Sauerstofflanzen 8 und 9 und zwar bevorzugt in der Weise, daß ein überwiegender Teil über die brennerseitige Sauerstofflanze 8 zugeführt wird (=sekundärer Sauerstoff), während die Restzufuhr über die Lanze 9 erfolgt (=tertiärer Sauerstoff).
Im gezeigten Fall wird also der im Ofen zur Verbrennung fehlende Sauerstoff durch die beiden Lanzen 8, 9 eingebracht. Dabei wird insbesondere mit der dem Brenner benachbarten Lanze 8 eine Einblasrichtung eingehalten, die divergierend oder wegstrebend bezüglich der Richtung des Brenners 4 und der Flammgase 5 ist. Dies schafft eine günstige Verteilung des Sauerstoffgases im Ofeninnenraum und Strömungsverhältnisse derart, daß die Flammgase und der Sauerstoffstrom erst mit deutlichem Abstand - ca. 1 bis 4 m - vom Brennermund aufeinandertreffen. Etwa im mittleren Bereich der Drehtrommel 3 treffen also besagte Gasströme aufeinander - siehe Bereich 10 in der Figur - und es findet dort die Nachverbrennung noch unverbrannter Brennstoffanteile und vor allem von Kohlenmonoxid statt. Dies erfolgt jedoch nicht auf einem der NOx-Bildung förderlichen Temperaturniveau, da einerseits die Flammgase ein vergleichsweise niedriges Temperaturniveau aufweisen - gesehen im Vergleich zu einer stöchiometrischen Brennstoff- Sauerstoff-Flamme - und andrerseits die Gasmischung in einem so großen Raumvolumen stattfindet, daß keine Hochtemperaturzonen mehr entstehen. Zudem ergibt sich im gesamten Ofen durch die ofenmittig erfolgende Nachver­ brennung eine günstige Temperaturverteilung (Rührkessel­ modell).
Allein die eben beschriebene sekundäre Sauerstoffzufuhr über die Sauerstofflanze 8 liefert bereits alle erfin­ dungsgemäß angestrebten Effekte. Darüber hinaus kann jedoch durch die Zufuhr eines dritten Sauerstoffanteils - also eine sogenannte tertiäre Sauerstoffzufuhr - über die bereits beschriebene, abgasaustrittsseitige Zugabelanze 9 ein besonders vorteilhafter Nachverbrennungsablauf im Ofen erzielt werden. Auf dies Weise ergibt sich nämlich eine zweite Nachverbrennung noch verbliebener brennbarer Verbindungen, die zum Ofenausgang hin noch einen weiteren Wärmeeintrag in den Ofen und das Schmelzgut 2 erbringt. Insgesamt wird also eine über den gesamten Ofeninnenraum verteilte Wärmeerzeugung ohne die für die NOx-Bildung entscheidenden Hochtemperaturbereiche erreicht.
Auf die gezeigte, erfindungsgemäße Weise kann eine Schmelz­ leistung und Ofentemperatur wie mit konventioneller, stöchiometrisch betriebener Befeuerungsmethode erzeugt werden, wobei bei gleichem Energieeinsatz und ohne über­ mäßigen Aufwand ein niedrigerer NOx-Ausstoß erhalten wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb einer auf einem oder mehreren Brennern basierenden Beheizung eines Ofens, z. B. eines Schmelzofens für Metalle oder Glas, zur Senkung der Stickoxidbildung, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits der Brenner stark unterstöchiometrisch betrieben wird und andererseits der zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofen fehlende Sauerstoff in Form von sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff getrennt vom Brenner derart in den zu befeuernden Ofen eingeleitet wird, daß die Flamme und die angereicherte Luft bzw. der Sauerstoff erst mit deutlichem Abstand zum Brennermund aufeinander treffen, d. h. diese sich nicht unmittelbar nach dem Brennermund vermischen, und daß der Bewegungsimpuls der Verbrennungsgase und der Bewegungsimpuls der zugeführten angereicherten Luft oder des zugeführten Sauerstoffs nicht gleichsinnig parallel gerichtet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner für sauerstoffangereicherte Luft oder ein Sauerstoffbrenner angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner in der Weise unterstöchiometrisch betrieben wird, daß ihm 70 bis 10%, vorzugsweise 60 bis 20%, der Sauerstoffmenge zugeführt werden, die für eine stöchio­ metrische Verbrennung notwendig sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Verbrennung des Brennstoffs im Ofen fehlende Sauerstoff an mehr als einer Stelle im Ofen getrennt vom Brenner zugeführt wird, d. h. sekundärer, tertiärer und gegebenenfalls quartärer Sauerstoff zugeführt werden, wobei die Bezeichnung von der Entfernung der Zugabestelle vom Brenner ausgeht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Sauerstoff­ zuleitung benachbart zum (Haupt-)Brenner erfolgt, und daß der Sauerstoff oder die angereicherte Luft divergierend bezüglich der (Haupt-)Brennerausrichtung in den Ofeninnenraum eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des zuzuführen­ den Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft in der Umgebung der Abzugsöffnung des Ofens eingespeist wird, wobei dies vorzugsweise als tertiäre Sauerstoff­ zugabe ausgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Drehtrommelofens die sekundäre und gegebenenfalls auch weitere Sauer­ stoffzugaben nahe bei oder auf der Drehachse und von den Ofenenden her durchgeführt werden.
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