DE69901239T2 - Ofenanlage und verfahren zur zementherstellung - Google Patents
Ofenanlage und verfahren zur zementherstellungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochofenanlage und ein Verfahren zur Herstellung von Zement. Die Hochofenanlage enthält einen Hochofen zum Brennen von Klinker, einen Kühler, einen Calcinierofen, auf den ein Zyklonabscheider und eine Brennkammer folgen, in die tangential Tertiärluft aus dem Kühler zugeliefert wird. Vollständig oder teilweise calciniertes Material wird von dem Boden der Brennkammer zu dem Calcinierofen geleitet, dem Abgase von dem Hochofen ebenfalls zugeführt werden.
- Es ist eine anerkannte Tatsache, daß eine Vielzahl von Vorteilen erzielt werden können, indem eine Calcinierzone aufgebaut wird, die mit einer zusätzlichen Brennkammer versehen ist, die ausschließlich mit Tertiärluft von dem Kühler gespeist wird.
- Eine Anlage dieser Bauart ist in unserer EP-A-103423 beschrieben. Aus diesem Patent ist eine Anlage (SLC-S) zum Calcinieren von Zementrohmaterialien bekannt, bei der die vorhandene Schwierigkeit bei dem Erzielen einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffes, der in dem Calcinierofen verwendet wird, ordnungsgemäß berücksichtigt wurde. In dieser Anlage wird das Rohmaterial nach der Vorwärmung einer Brennkammer 4 zugeführt, in der es in Heißluft von dem Kühler 2 calciniert wird. Der Tertiärluft von dem Kühler fließt zentral durch den Boden der Brennkammer 4 nach oben, was bedeutet, daß ein zentraler aufwärtsgerichteter Strom in der Brennkammer und ein nach unten gerichteter Strom entlang den Seiten der Brennkammer vorhanden ist. Das Rohmaterial wird an dem unteren Ende der Brennkammer zugeliefert und wird auf Grund der Wirkung der turbulenten Strömung, die über die gesamte Länge der Brennkammer angetroffen wird, verteilt.
- Aus der US-A-4,014,641 ist eine Anlage zum Calcinieren von Zementrohmaterialien bekannt, in der die Menge von Stickoxid in den Abgasen des Brennofens reduziert wird, indem eine Zone in der Hochofenaustragleitung erzeugt wird, der reduzierendes Gas zugeliefert wird. Heißluft von dem Kühler und Heißgas aus dem Hochofen werden über eine Leitung 5 beziehungsweise eine Leitung 13 einem Zyklonvorwärmer 14, 15, 16, 17 zugeliefert, in dem Rohmaterial im Gegenstrom zu dem Heißgas von dem Kühler und von dem Hochofen vorgewärmt wird. In dem Bereich der Hochofenaustragleitung, die unter der Zulieferleitung 5 von dem Kühler angeordnet ist, werden reduzierende Bedingungen erzeugt, indem reduzierende Gase über eine Leitung 12 eingeleitet werden. Die reduzierenden Gase werden in dem Calcinierofen 8 gebildet, da das Luftvolumen, das dem Calcinierofen zugeliefert wird, ausreichend ist, um eine Vergasung des Brennstoffes in dem Calcinierofen zu verursachen, jedoch nicht ausreichend, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes in dem Calcinierofen zu verursachen (Spalte 4, Zeile 1 bis 5). Ein Nachteil dieser Anlage ist, daß Brennstoffe, die schwer zu zünden sind und langsam brennen, wie zum Beispiel Petrolkoks, Anthrazit und andere Arten von Kohle mit einem niedrigen Gasgehalt, in dem Calcinierofen nicht verwendet werden können, da sie einen beträchtlichen unverbrannten Koksrest erzeugen würden, der ausgefällt und zu dem Drehrohrofen geleitet würde, wodurch anschließend Probleme hinsichtlich des Schwefelausstoßes und der Bildung von Verkrustungen entstehen würden.
- Aus der US-A-5,364,265 ist ein weiteres Calciniersystem bekannt, in dem die NOx-Emission durch die Bildung von reduzierenden Gasen, beispielsweise CO und H&sub2;, in einer Brennkammer 20 begrenzt wird. Der in der Brennkammer während dieses Prozesses gebildete Koks zeigt recht deutliche reaktive Eigenschaften. Die Optimierung dieses Verfahrens ist jedoch im Hinblick auf das Sicherstellen einer minimalen NOx-Emission angesichts der Tatsache, daß während des Betriebes sehr wenige Parameter geregelt werden können, relativ schwierig zu erzielen. Der Brennprozeß in der Brennkammer ist vollständig von dem gewünschten Ausmaß der Calcinierung des Rohmehls abhängig. Gleichzeitig ist die Kompliziertheit des Anlagenaufbaues relativ hoch.
- Aus unserer internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/DK 97/00029 ist ein Verfahren zum Reduzieren des NOx-Anteils der Emissionen einer Anlage bekannt. Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochofenanlage mit einer reduzierten NOx-Emissionsmenge zu schaffen, während gleichzeitig die Option der Verwendung eines Brennstoffes mit einer geringen Reaktivität, wie zum Beispiel Petrolkoks, Anthrazit und andere Arten von Kohle mit niedrigem Gasgehalt in Zonen mit einer relativ niedrigen Temperatur vorgesehen wird. Diese Aufgabe wird durch Regulieren der Brennstoffzulieferraten in drei unterschiedlichen Zonen gelöst, wobei Abgase von den anderen beiden Zonen in einer Weise einer Zone zugeliefert werden, die eine Minimierung des NO-Gehalts in den Abgasen von der Zone sicherstellt, der die Abgase von den anderen beiden Zonen zugeführt werden.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochofenanlage und ein Verfahren zur Herstellung von Zement zu schaffen. Die Hochofenanlage hat einen relativ vereinfachten Aufbau und kann vorteilhaft Brennstoff mit einer niedrigen Reaktivität, wie zum Beispiel Petrolkoks, Anthrazit und andere Arten von Kohle mit niedrigem Gasgehalt, in der Calcinierzone verbrennen, wo die Temperatur allgemein auf einem niedrigen Niveau ist.
- Gemäß vorliegender Erfindung ist eine Hochofenanlage zur Herstellung von Zement, welche Anlage einen Hochofen, einen Kühler, einen Calcinierofen mit einem nachfolgenden Zyklonabscheider und eine Brennkammer enthält, die in ihrem oberen Teil mit einem zentralen Brenner versehen ist und unter dem Brenner einen tangentialen Einlaß aufweist, durch welchen Heißgas über eine Leitung von dem Kühler der Brennkammer zugeliefert wird, welche Leitung mit einem Einlaß für Rohmehl versehen ist, wobei der untere Teil der Brennkammer mit einer Verbindung zu dem Calcinierofen versehen ist und eine zweite Verbindung Abgase von dem Hochofen zu dem Calcinierofen leitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub1;-h&sub2; des oberen Teiles des Innenvolumens der Brennkammer zwischen der Spitze des Brenners und dem oberen Rand des tangentialen Einlasses, welcher der oberste Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler ist, mindestens ¹/&sub3;D beträgt, wobei D den Durchmesser eines Zylinders bezeichnet, der die Höhe h&sub1;-h&sub2; und das gleiche Volumen wie der obere Teil des Innenvolumens der Brennkammer hat; und dadurch, daß die Höhe h&sub3;-h&sub4; des unteren Teiles des Innenvolumens der Brennkammer, das sich zwischen dem unteren Rand des tangentialen Einlasses, der den untersten Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler bildet, und dem Auslaß aus der Brennkammer befindet, mindestens D beträgt.
- Diese Aufgabe wird somit dann, wenn die Brennkammer zylindrisch ist, gelöst, indem der tangentiale Einlaß der Brennkammer so positioniert wird, daß die Höhe des oberen Teils des Innenvolumens der Brennkammer h&sub1;-h&sub2;, das unter der Brennerspitze und über dem oberen Rand des tangentialen Einlasses angeordnet ist, mindestens ¹/&sub3;D ist, und so, daß die Höhe des unteren Teils des Innenvolumens der Brennkammer, h&sub3;-h&sub4;, das zwischen dem unteren Rand des tangentialen Einlasses und dem Auslaß aus der Brennkammer angeordnet ist, mindestens D ist. Vorzugsweise sollte die Höhe des Innenvolumens der Brennkammer, h&sub1;-h&sub2;, mindestens ²/&sub3;D sein, und die Höhe des unteren Teils des Innenvolumens der Brennkammer, h&sub3;-h&sub4;, sollte mindestens ³/&sub2;D sein.
- Dies führt dazu, daß ein Raum mit hoher Temperatur und einem geringen Gehalt an Rohmaterialien über dem tangentialen Einlaß der Rohmaterialsuspension erzeugt wird. Dies stellt eine verbesserte Zündung und bessere Verbrennungseigenschaften von preiswerten und gasarmen Kohlearten sicher.
- Die Erfindung schließt ferner ein Verfahren zur Herstellung von Zement in einer Anlage gemäß der Erfindung ein, bei welchem die Rohmaterialien vorgewärmt und anschließend einer mindestens teilweisen Calcinierung in einer Brennkammer unterzogen werden, die an ihrem oberen Ende mit einem zentralen Brenner versehen ist; wobei Rohmaterialien der Brennkammer über einen tangentialen Einlaß in Suspension in Heißgas von einem Kühler zugeliefert werden; das teilweise calcinierte Material von dem unteren Teil der Brennkammer über eine Verbindung zu einem Calcinierofen geleitet wird, die Gas-/Materialsuspension von dem Calcinierofen zu einem Zyklonabscheider geleitet wird, in dem die Trennung von Gas und Material bewirkt wird, und bei welchem Abgase von dem Hochofen über eine zweite Leitung zu dem Calcinierofen geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub1;-h&sub2; des oberen Teiles des Innenvolumens der Brennkammer zwischen der Spitze des Brenners und dem oberen Rand des tangentialen Einlasses, welcher der oberste Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler ist, mindestens ¹/&sub3;D beträgt, wobei D den Durchmesser eines Zylinders bezeichnet, der die Höhe h&sub1;-h&sub2; und das gleiche Volumen wie der obere Teil des Innenvolumens der Brennkammer hat; und dadurch, daß die Höhe h&sub3;-h&sub4; des unteren Teiles des Innenvolumens der Brennkammer, das sich zwischen dem unteren Rand des tangentialen Einlasses, der den untersten Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler bildet, und dem Auslaß aus der Brennkammer (3) befindet, mindestens D beträgt.
- Nachfolgend wird die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf
- Fig. 1, die ein Beispiel einer Hochofenanlage gemäß der Erfindung zeigt, und
- Fig. 2, die eine detaillierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkammer zeigt,
- näher erläutert.
- Fig. 1 zeigt eine Hochofenanlage zur Herstellung von Zementklinker. Die Anlage besteht aus einem Hochofen 1, in dem der Klinker innerhalb eines Temperaturbereichs von 1.300 bis 1.500ºC gebrannt wird, und einem Calcinierofen 2 sowie einer Brennkammer 3, wobei in beiden die Temperatur mindestens 800 ºC beträgt und in bestimmten Bereichen bis zu 1.400ºC betragen kann. In bestimmten Fällen kann der Calcinierofen 2 ausschließlich aus der aufsteigenden Leitung von dem Hochofen 1 bestehen. Nach dem Hochofen 1 ist ein Klinkerkühler 4 angeordnet, aus dem Heißluft über eine Leitung 5 zu der Calcinierzone geleitet wird, die von 3, 2 und 8 abgedeckt ist. Der Calcinierofen 2 wird mit heißen Abgasen von dem Hochofen 1 über die Leitung 6 und mit heißen Abgasen, die mit teilweise calciniertem Material gemischt sind, aus der Brennkammer 3 über eine Leitung 7 gespeist.
- Von dem Calcinierofen 2 wird calciniertes Material über eine Leitung 8 in Suspension zu einem Zyklonabscheider 9 geleitet. In dem Zyklonabscheider 9 wird die Gas-/Materialsuspension in einen Strom aus calciniertem Material und einen Heißgasstrom getrennt. Das calcinierte Rohmaterial wird über eine Leitung 10 zu dem Drehrohrofen 1 geleitet und das Heißgas wird über die Leitung 11 zu einem Suspensionsvorwärmer geleitet.
- Das vorgewärmte Rohmaterial wird über zwei Leitungen 14A und 14B nach unten in die Calcinierzone geleitet. Wenn es als sinnvoll erachtet wird, kann vorgewärmtes Rohmaterial auch dem oberen Teil des Calcinierofens 2 über eine nicht dargestellte Leitung zugeführt werden. Die Leitung 14B führt Rohmaterial in die Abgase von dem Hochofen 1, wodurch veranlasst wird, daß das Rohmaterial zu dem Calcinierofen 2 weitergeleitet wird. Die Leitung 14A führt Rohmaterial in die Tertiärluftleitung 5, wodurch verursacht wird, daß das Material in die Brennkammer 3 geleitet wird.
- Der gesamte Rohmaterialstrom wird in geregelter Weise zwischen den beiden Leitungen 14A und 14B verteilt und unter besonderen Umständen kann es beispielsweise wünschenswert sein, den Strom durch eine der Leitungen zu unterbrechen. In dieser Anlage kann Brennstoff in dem Calcinierofen 2 mittels eines Brenners 15, in der Brennkammer 3 mittels eines Brenners 16 und in dem Hochofen 4 mittels eines Brenners 17 verfeuert werden.
- Fig. 2 zeigt eine detaillierte Ausführungsform der Brennkammer 3 gemäß der Erfindung, wo das Rohmaterial aus der Leitung 14A über die Tertiärluftleitung 5 in die Brennkammer 3 eingeführt wird.
- In diesem Fall hat das Reaktorinnenvolumen der Brennkammer eine zylindrische Form. Die Form des oberen Reaktorvolumens ist jedoch nicht durch bestimmte Erfordernisse vorgegeben, mit der Ausnahme, daß die Größe der Querschnittsfläche relativ zu dem Querschnitt des Brenners ausreichend sein muss, um die gewünschten Strömungseigenschaften zu erzielen. Der obere Teil des inneren Volumens der Brennkammer ist der Teil, der über dem Einlaß der Tertiärluftleitung angeordnet ist, und in Fig. 2 beträgt die Höhe dieses Abschnitts h&sub1;-h&sub2;. Die Höhe des unteren Teils des Innenvolumens der Brennkammer ist h&sub3;-h&sub4; und erstreckt sich von dem Einlaß der Tertiärluftleitung zu dem Auslaß, der an dem unteren Ende der Brennkammer angeordnet ist. Die Erfahrung zeigt, daß h&sub1;-h&sub2; größer als ¹/&sub3;D sein muss, wobei D der Durchmesser des oberen Abschnitts ist, wenn er wie im vorliegenden Fall eine zylindrische Form hat, und daß der untere Teil größer als ³/&sub2;D sein muss, bevor es möglich ist, die Kombination aus erhöhter Temperatur, Rückhaltezeit und Mischung zu erzielen, die die Ausbrenneffizienz des gasarmen Brennstoffes verbessert, der über den Brenner 16 eingeführt wird.
- Wenn, wie das bei herkömmlichen Anlagen der Fall ist, die Rohmehlzulieferleitung in der höchstmöglichen Ebene in der Brennkammer angeordnet ist, führt dies grundsätzlich dazu, daß keine Kohle mit einem geringen Gehalt an flüchtigen Stoffen in dem oberen Drittel der Kammer verbrennt wird, was bedeutet, daß die Temperatur auf einem Niveau um 800 bis 900ºC gehalten wird. Im Gegensatz dazu steigt die Temperatur an dem Auslaß auf Grund der verbesserten Verbrennungsstufe an diesem Ort an. Dies führt dazu, daß die Temperatur an dem Auslaß bis zu 1.200ºC betragen kann, was auf Grund des Gehalts an Rohmehl die Erzeugung von Ablagerungen verursachen kann.
- Auf Grund der niedrigen Position, in der der Tertiärlufteinlaß angeordnet ist, wird in dem oberen Teil der Brennkammer eine Misch- und Zündzone erzeugt, die frei von Rohmehl ist. Der Hochgeschwindigkeitsstrom von Primärluft durch den Brenner erzeugt das in Fig. 2 dargestellte Strömungsmuster, indem eine vertikale Zirkulation in dem zentralen Teil der Brennkammer vorhanden ist. Mit der Voraussetzung, daß die Tertiärluft von dem Kühler und das in dem Luftstrom suspendierte Rohmehl tangential eingeführt werden, wird das Rohmehl durch Wirbelwirkung an die Seite der Brennkammer gestoßen, und da die vertikale Zirkulation in dem Mittelteil der Brennkammer stattfindet, bleibt der Gehalt an Rohmehl in dem oberen Teil der Brennkammer auf einem niedrigen Niveau. Die Auswirkung des Strömungsmusters ist es, im oberen Teil der Brennkammer eine Gasmischung zu erzeugen, von der ein Teil zu diesem Zeitpunkt oder in einer früheren Stufe an dem Verbrennungsprozeß teilnimmt, und von der ein Teil sauerstoffhaltiges Gas direkt von der Tertiärluftleitung ist. Diese Mischung löst die Zündung des kalten Brennstoffes aus, der eingeführt wird. Es hat sich herausgestellt, daß der Kohleverbrauch in einer Brennkammer in einer Versuchsanlage um einen Faktor von annähernd 17% nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert werden konnte, und dies ist wahrscheinlich einer Verbesserung der Kohlenverbrennungseffizienz zuzuschreiben.
- Folglich wird die Verbrennung in der Brennkammer stets mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 21% O&sub2; bewirkt. Dies hat einen vorteilhaften Effekt auf die Erzeugung von NOx, die auf einem etwas niedrigeren Niveau liegt. Der Temperaturanstieg ist jedoch der bedeutendste Faktor, der die Erzeugung von NOx beeinflußt. Es wurde somit sichergestellt, daß in einer erfindungsgemäßen Anlage das Umwandlungsverhältnis, das hinsichtlich der Umwandlung des Stickstoffs im Brennstoff im NOx erzielbar ist, bei der Verbrennung von Anthrazit und Petrolkoks nur 25% beträgt. Zum Vergleich kann ein herkömmlicher Calcinierofen ein Umwandlungsverhältnis von 65% bei Petrolkoks haben. Dies deutet daraufhin, daß die NO-Emission in einer erfindungsgemäßen Anlage um einen Faktor von mehr als 50% reduziert wurde.
Claims (9)
1. Hochofenanlage zur Herstellung von Zement, welche Anlage
einen Hochofen (1), einen Kühler (4), einen Calcinierofen (2)
mit einem nachfolgenden Zyklonabscheider (9) und eine
Brennkammer (3) enthält, die in ihrem oberen Teil mit einem
zentralen Brenner (16) versehen ist und unter dem Brenner einen
tangentialen Einlaß aufweist, durch welchen Heißgas über eine
Leitung (5) von dem Kühler (4) der Brennkammer (3)
zugeliefert wird, welche Leitung (5) mit einem Einlaß (14A) für
Rohmehl versehen ist, wobei der untere Teil der Brennkammer mit
einer Verbindung (7) zu dem Calcinierofen (2) versehen ist
und eine zweite Verbindung (6) Abgase von dem Hochofen (1) zu
dem Calcinierofen (2) leitet, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub1;-h&sub2; des oberen Teiles des
Innenvolumens der Brennkammer (3) zwischen der Spitze des Brenners und
dem oberen Rand des tangentialen Einlasses, welcher der
oberste Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler ist, mindestens
1/3D beträgt, wobei D den Durchmesser eines Zylinders
bezeichnet, der die Höhe h&sub1;-h&sub2; und das gleiche Volumen wie
der obere Teil des Innenvolumens der Brennkammer hat; und
dadurch, daß die Höhe h&sub3;-h&sub4; des unteren Teiles des
Innenvolumens der Brennkammer, das sich zwischen dem unteren Rand des
tangentialen Einlasses, der den untersten Eintrittspunkt von
Heißgas von dem Kühler bildet, und dem Auslaß aus der
Brennkammer (3) befindet, mindestens D beträgt.
2. Hochofenanlage zur Herstellung von Zement nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub1;-h&sub2;
des oberen Teiles mindestens 2/3D beträgt.
3. Hochofenanlage zur Herstellung von Zement nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub3;-h&sub4;
des unteren Teiles mindestens 3/2D beträgt.
4. Hochofenanlage zur Herstellung von Zement nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (16)
an dem oberen Teil der Brennkammer (3) in der Weise
angeordnet ist, daß Primärluft durch den Brenner zugeliefert wird.
5. Verfahren zur Zementherstellung in einer Anlage nach
Anspruch 1, bei welchem die Rohmaterialien vorgewärmt und
anschließend einer mindestens teilweisen Calcinierung in einer
Brennkammer (3) unterzogen werden, die an ihrem oberen Ende
mit einem zentralen Brenner (16) versehen ist; wobei
Rohmaterialien der Brennkammer (3) über einen tangentialen Einlaß in
Suspension in einem Heißgas von einem Kühler (4) zugeliefert
werden; das teilweise calcinierte Material von dem unteren
Teil der Brennkammer über eine Verbindung (7) zu einem
Calcinierofen (2) geleitet wird, die Gas-/Materialsuspension von
dem Calcinierofen (2) zu einem Zyklonabscheider (9) geleitet
wird, in dem die Trennung von Gas und Material bewirkt wird,
und bei welchem Abgase von dem Hochofen (1) über eine zweite
Leitung (6) zu dem Calcinierofen geleitet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhe h&sub1;-h&sub2; des oberen
Teiles des Innenvolumens der Brennkammer zwischen der Spitze
des Brenners und dem oberen Rand des tangentialen Einlasses,
welcher der oberste Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler
ist, mindestens 1/3·D beträgt, wobei D den Durchmesser eines
Zylinders bezeichnet, der die Höhe h&sub1;-h&sub2; und das gleiche
Volumen wie der obere Teil des Innenvolumens der Brennkammer
hat; und dadurch, daß die Höhe h&sub3;-h&sub4; des unteren Teiles des
Innenvolumens der Brennkammer, das sich zwischen dem unteren
Rand des tangentialen Einlasses, der den untersten
Eintrittspunkt von Heißgas von dem Kühler bildet, und dem Auslaß aus
der Brennkammer (3) befindet, mindestens D beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem oberen
Volumen der Brennkammer innerhalb eines Bereichs von 1100-
1400ºC liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem oberen
Volumen der Brennkammer innerhalb eines Bereichs von 1100-
1400ºC liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß Primärluft durch den Brenner
(16) der Brennkammer (3) zugeliefert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Produkt des
Prozentsatzes an Primärluft, der der Brennkammer relativ zu dem zur
Verbrennung von Kohle erforderlichen stöchiometrischen
Luftvolumen zugeliefert wird, mit der Eintraggeschwindigkeit der
Kohle in die Brennkammer, gemessen in m/s, mindestens 500
%·m/s ist.
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