DE4338985C2 - Kokslos betriebener Herd-Schacht-Ofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kokslos betriebenen Herd-Schacht-Ofen mit wassergekühltem Halterost zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetallischen Werkstoffen, insbesondere von Gußeisen, der mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen gefeuert ist und eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung der unverbrannten Gichtgasbestandteile aufweist, die während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses entstehen.

Ein Herd-Schacht-Ofen der genannten Art ist Gegenstand des DD-AP 2 99 917 A7. Wesentliche Merkmale sind die über dem wassergekühlten Rost liegende Schüttsäule mit einer Höhe bis zu 2000 mm, der den gleichmäßig über den Ofenumfang verteilten Luftdüsen angrenzende und als Brennkammer wir­ kende Ofenschacht mit einer Temperaturmeßstelle und einer Beschickungsöffnung sowie ein Rekuperator mit einer weite­ ren Temperaturmeßstelle. Unterhalb des Halterostes befinden sich der als Sammler ausgebildete und seitlich am Ofen­ schacht fest angeordnete Herd sowie der an der Stirnseite des Herdes installierte Heißwind-Gas-Brenner.

Eine die Schüttsäulenhöhe nicht begrenzende Ausführung ist aus der DE-AS 22 04 042 oder DE 34 37 911 C2 bekannt.

Bei diesen Herd-Schacht-Öfen bewegen sich das metallische Einsatzmaterial und die Zuschlagstoffe im Gegenstromprinzip zu den heißen Verbrennungsprodukten, wobei durch Energie­ übertragung das metallische Einsatzmaterial oberhalb der wassergekühlten Halteeinrichtung geschmolzen und teilweise überhitzt und im unterhalb der Halteeinrichtung angeordne­ ten Herd gesammelt und weiter überhitzt wird. Die praktisch bis zu 2000°C heißen Verbrennungsgase der mit Luft umge­ setzten gasförmigen oder fluiden Brennstoffe strömen durch die Schüttsäule oberhalb der wassergekühlten Halteeinrich­ tung und kühlen sich hierbei ab.

Bei der in DD-AP 2 99 917 A7 dargestellten Variante ist durch die maximale Schüttsäulen­ höhe bis zu 2000 mm und durch die den Luftdüsen angrenzende Brennkammer eine vollständige Nachverbrennung der die Schüttung verlassenden Ofengase, welche die Selbstzündtem­ peratur nicht unterschreiten, möglich. Der Nachteil von Herd-Schacht-Öfen mit Brennereinrichtungen zum Umsatz gas­ förmiger oder fluider Brennstoffe mit Luft, die bis zu Tem­ peraturen von 600°C erwärmt sein kann, besteht darin, daß ab Verbrennungstemperaturen von 1300°C nennenswerte Stick­ stoffmonoxidbildungen auftreten, die Stickstoffdioxidemis­ sionen hervorrufen. Diese können in Abhängigkeit von der Temperatur der Verbrennungsluft 800 bis 1100 mg/m³ Abgas betragen. Diese Emissionen sind damit wesentlich höher als die von den Betreibern von Herd-Schacht-Öfen zur Erzeugung von eisenmetallischen Legierungen gewünschten und in Koks­ kupolöfen erreichbaren Werte < 250 mg Stickoxide/m³ Abgas. Dadurch ist der Einsatz dieser Schmelzaggregate aus ökolo­ gischen und umweltschutztechnischen Gründen heraus einge­ schränkt.

Ein weiteres Schmelzaggregat zum Erschmelzen eisenmetalli­ scher Legierungen ist der Drehtrommelofen, der seit Einsatz von Sauerstoffbrennern in der Schmelztechnik eine Renais­ sance erlebt. Ein solches Schmelzaggregat ist in DE 40 26 414 A1 dargestellt. Wesentliche Baugruppen sind der liegend an­ geordnete walzenförmige Ofenkörper mit einem stirnseitig angeflanschten, mit reinem Sauerstoff betriebenen Gas- oder Öl-Brenner und die an der anderen Seite ebenfalls stirnsei­ tig angeflanschte Abgaseinrichtung. Nachteilig ist, daß Drehtrommelöfen grundsätzlich im Chargenbetrieb betrieben werden müssen und somit für eine kontinuierliche Flüssigei­ senversorgung der Gießerei nur durch Einsatz mehrerer Schmelzaggregate, welche wechselweise im quasikontinuierli­ chen Betrieb arbeiten, infrage kommen.

Weiterhin ergeben sich Einschränkungen in der bereitstell­ baren Menge Flüssigeisen pro Zeiteinheit. Dies führt dazu, daß Drehtrommelöfen grundsätzlich nur für Unternehmen mit einem Flüssigeisenbedarf von max. 2-5 t/h Flüssigeisen effektiv einsetzbar sind. Auf Grund der technischen Anord­ nung und der realisierten Wärmeübertragung im Ofenkörper auf das Einsatzmaterial sowie durch die ausgeprägte oxidie­ rende Fahrweise der Brenner mit Sauerstoffüberschuß, ist mit Rauchgasaustrittstemperaturen von 1500 bis 1600°C zu rechnen. Diese müssen vor Eintritt in die Entstaubungsan­ lage zur Realisierung der Emissionsgrenzwerte für Staub von 20 mg/m³ Abgas durch Einsatz von Falschluft herunterge­ kühlt werden. Die oxidierende Fahrweise der Brennereinrich­ tung führt weiterhin metallurgisch zu erhöhtem Abbrandver­ halten bezüglich der Elemente Kohlenstoff, Silizium und Mangan.

Ebenfalls bekannt sind nach US 2 295 901 und DD 37 332 koks­ gefeuerte Kupolöfen zum Schmelzen von eisenmetallischen Werkstoffen, insbesondere von Gußeisen, bei denen durch die Wiedereinführung der unterhalb der Ofengicht abgezogenen heißen und teilweise unverbrannten Abgase eine zusätzliche konzentrierte Wärmeführung durch die Sekundärverbrennung hervorgerufen wird. Nachteilig ist, daß so keine Absenkung der Verbrennungsgastemperaturen erreicht wird und damit keine Minimierung der NO_x-Bildung möglich ist.

Nach Wünning (HTM 48 (1993) 2 S. 113-116) wird die thermi­ sche NO_x-Bildung bei Industrieöfen mit Luft-Brennstoff- Brennern durch eine Vormischung von Abgas und Verbrennungs­ luft über die daraus resultierende Absenkung der maximalen Reaktionstemperatur vermindert. Nachteilig ist, daß bei wechselnden Betriebstemperaturen zur Sicherung ausreichen­ der Brennerkammertemperaturen Hilfsbrenner im Flammenbe­ trieb eingesetzt werden müssen. Weiter nachteilig ist, daß diese Technologie nicht für mit reinem Sauerstoff betrie­ bene Brenner zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetalli­ schen Werkstoffen, insbesondere von Gußeisen, anwendbar ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen kokslos betriebenen Herd-Schacht-Ofen der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der in Hinblick auf eine minimierte NO_x-Emission im Abgas die Bildung von Stickoxiden beim Umsatz der Brennstoffe verhindert und ohne Falschluftzufuhr niedrige Rauchaustrittstemperaturen garantiert. Erreicht wird dies dadurch, daß die Brennkammer eines mit reinem Sauerstoff betriebenen Gas- oder Öl-Brenners direkt über eine Gasleitung mit einer Ofengas-Absaugeinrichtung verbunden ist, die unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe angeordnet ist. Damit kann eine Teilmenge des Ofengases mit Temperaturen < 400°C als Kreislaufgas im Herd-Schacht-Ofen geführt werden. Das über die metallurgischen Reaktionen in der Schüttsäule oberhalb des wassergekühlten Halterostes entstehende Ofengas ist CO-, CO₂- und wasserdampfhaltig. Die aus der Verbrennung der Mischung von Gas oder Öl und Kreislaufgas im Brenner resultierenden heißen Verbrennungsgase werden im Bereich der Brennerebene, die sich unterhalb des wassergekühlten Halterostes und oberhalb der im Herd gesammelten Schmelz­ menge befindet, dem Herd-Schacht-Ofen wieder zugeführt. Auf Grund des ausschließlichen Einsatzes von Sauerstoff und des damit fehlenden Anteiles Luftstickstoff bei der Umsetzung des fluiden bzw. gasförmigen Brennstoffes im Brenner sowie der gleichzeitig einsetzenden Kühlwirkung des im Vergleich zum Brennergas kalten Kreislaufgases, womit wiederum eine Reduzierung der Mischtemperatur des Brennergases bewirkt wird, ist die temperaturabhängige NO_x-Bildung und somit die NO_x-Beladung des in den Ofen eintretenden Brennergases minimiert. Dementsprechend ist die NO_x-Emission des Teil­ stromes von unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe nicht abgezogenen und weiter der Entstaubung und Gaswirtschaft zugeführten Abgase ebenfalls minimiert. Mit der Reduzierung der Brennergastemperaturen über die Mischung von Kreislauf­ gas mit den Brennergasen erfolgt gleichzeitig eine Verrin­ gerung des ebenfalls temperaturabhängigen und bei ca. 1700°C beginnenden Dissoziationsverhaltens der Gaskomponenten H₂O, CO₂ und CO, wodurch das oxidierende Verhalten der Brenner-/Ofengase im Herd und im Schacht in der Schüttsäule eingeschränkt wird. Das führt zu einem besseren metallurgi­ schen Schmelzverhalten, das im Ergebnis durch eine Verrin­ gerung des Kohlenstoff-, Silizium- und Manganabbrandes so­ wie durch eine eingeschränkte FeO-Bildung im Rostbereich des Herd-Schacht-Ofens und somit durch einen technologisch stabileren Ofengang charakterisiert ist. Weiterhin ist mit der Absaugung des Ofengases unterhalb der maximalen Schütt­ säulenhöhe im Schacht eine wesentliche Verringerung des Volumenstromes der Abgasmenge von öl- oder gasbeheizten Herd-Schacht-Öfen verbunden. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Verringerung der Anlagenkosten durch Wegfall eines Heißlufterzeugers und eine Minimierung der Gaswirt­ schaft inkl. der Entstaubungsanlage erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist somit eine umwelttech­ nisch unbedenkliche, kostengünstige, kontinuierliche und sichere Durchführung des Schmelzens und Überhitzens von eisenmetallischen Werkstoffen im gas- oder ölbeheizten Herd-Schacht-Ofen möglich.

Die Erfindung soll am Beispiel des Schmelzens von Grauguß näher erläutert werden. Hierzu zeigt die einzige Figur einen Herd- Schacht-Ofen mit erfindungsgemäßer Einrichtung im Schnitt. Es ist dargestellt, daß die Brennkammer 11 eines Sauer­ stoff-Erdgas-Brenners über eine Gasleitung 12 mit einer Ofengasabsaugeinrichtung 4, welche unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe 9 angeordnet ist, verbunden ist. Das Ab­ saugen des Kreislaufgases kann über einen Lüfter oder Ra­ diator bzw. über einen Gasstrahlverdichter durch Nutzung der Ejektorwirkung erfolgen. Die Zuführung des Brennstoffes Erdgas sowie des Sauerstoffes erfolgt über die Zuleitungen 6 und 7 zum Brenner direkt. Das Brennersystem ist unterhalb des wassergekühlten Halterostes 5 sekantenartig zum Herd 8 angeordnet. Oberhalb der Begichtungsöffnung 2 ist eine Gichtgasabsaugung 1 installiert, die mit der Gaswirtschaft 13 verbunden ist. Die Begichtungsöffnung 2 ist mit dem Schrägaufzugskübel 14 der Gattierung gekoppelt. Über den Schrägaufzugskübel 14 wird der Herd-Schacht-Ofen mit einer Gattierung, bestehend aus 70% Gußbruch, 28% Kreislaufma­ terial und 1% FeSi-75, durch die Gattierungsöffnung 2 be­ schickt. Dadurch baut sich auf dem wassergekühlten Halte­ rost 5 eine Schüttsäule mit der max. Höhe 9 von 2000 mm auf. Die Beschickung des Ofens ist zeitlich und mengenmäßig so organisiert, daß sich die minimale und auch die maximale Schüttsäulenhöhe 9 zwischen den Luftdüsen 3 und der Ofen­ gasabsaugung 4 einstellt.

Die Gattierungsanalyse ergibt sich zu 3,33% C, 3,09% Si, 0,61% Mn, 0,56% P und 0,12% S. Zum Schmelzen erfolgt über den Sauerstoff-Erdgas-Brenner der Umsatz von 70 m³ Erdgas mit 180 m³ Sauerstoff pro Tonne Eisen. Gleichzeitig werden 150 m³ Ofengas pro Tonne Eisen der Brennkammer 11 des Sauerstoff-Erdgas-Brenners zugesetzt. Die heißen Brenn­ gase mit Temperaturen von 1900 °C werden durch die sekan­ tenartige Brenneranordnung in den Herdbereich 8 einge­ bracht, steigen durch den wassergekühlten Halterost 5 und die Schüttsäule 9 hindurch. Dabei laufen temperatur- und konzentrationsabhängige metallurgische und thermochemische Reaktionen zwischen den Komponenten des Ofengases CO₂ und H₂O sowie den Dissoziationsprodukten CO und H₂ und den Ein­ satzmaterialien sowie zwischen den beim Aufschmelzen gebil­ deten Schlacken, Einsatzstoffen bzw. Schlacken und Ofenga­ sen ab. Der aus der Schüttsäule 9 austretende Teilstrom des nicht im Kreislauf gefahrenen Ofengases von 60 m³/t Eisen wird durch eine gastemperatur- und Lambda-geregelte Luftzufuhr über die Luftdüsen 3 in der Nachverbrennungskammer 10 un­ terhalb der Begichtungsöffnung 2 nachverbrannt und nachfol­ gend von der Gichtgasabsaugung 1 der Gaswirtschaft 13 zuge­ führt. Über die metallurgischen und thermochemischen Reak­ tionen im Ofenschacht und über die Wirkung der Brennergase im Ofenherd auf die dort gesammelte Schlacke und Schmelze ergibt sich unter Zusatz von 0,7% Aufkohlungsmittel auf der Rinne des Ofens eine Rinneneisenanalyse von 3,54% C, 2,49% Si, 0,52% Mn, 0,57% P und 0,11% S. Der Teilstrom des in der Gaswirtschaft 13 zu verarbeitenden Ofengases be­ trägt 352 m³ Abgas/t Eisen. Die NO₂-Emission liegt mit 250 mg/m³ Abgas unterhalb der NO₂-Emissionen von gasbeheizten Schmelzöfen im Bereich der NO₂-Emissionen des klassischen Kokskupolofens. Eine SO₂-Emission tritt durch Einsatz des schwefelfreien Brennstoffes Erdgas nicht auf. Die CO-Emis­ sion wird durch Einsatz der Nachverbrennungseinrichtung mit < 500 mg/m³ Abgas bestimmt. Der CO₂-Ausstoß wird auf übli­ che Werte von 100 m³/t Eisen begrenzt. Das Schmelzaggregat arbeitet kontinuierlich mit einem energetischen Wirkungs­ grad von 40 Prozent.

Claims (2)

1. Kokslos betriebener Herd-Schacht-Ofen mit wassergekühltem Halterost zum Schmelzen und Überhitzen von eisenmetalli­ schen Werkstoffen, insbesondere von Gußeisen,

   • - der mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen gefeuert ist und
   • - eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung der unverbrannten Gichtgasbestandteile aufweist, die während des Schmelz- und Überhitzungsprozesses entstehen,
2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der NO_x-Emis­ sion im Abgas die Brennkammer (11) eines mit reinem Sauer­ stoff betriebenen Gas- oder Öl-Brenners direkt über eine Gasleitung (12) mit einer Ofengas-Absaugeinrichtung (4) verbunden ist, die unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe (9) angeordnet ist.