EP0120109A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Gichtgasverbrennung eines Heisswind-Kupolofens - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Gichtgasverbrennung eines Heisswind-Kupolofens Download PDF

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EP0120109A1
EP0120109A1 EP83103040A EP83103040A EP0120109A1 EP 0120109 A1 EP0120109 A1 EP 0120109A1 EP 83103040 A EP83103040 A EP 83103040A EP 83103040 A EP83103040 A EP 83103040A EP 0120109 A1 EP0120109 A1 EP 0120109A1
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EP
European Patent Office
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air
combustion
gas
furnace
excess
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP83103040A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Günther Dr.-Ing. Rachner
Giangaleazzo Romegialli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kuettner GmbH and Co KG
Original Assignee
Kuettner GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Kuettner GmbH and Co KG filed Critical Kuettner GmbH and Co KG
Priority to EP83103040A priority Critical patent/EP0120109A1/de
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
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    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F23N5/006—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties the detector being sensitive to oxygen

Definitions

  • the invention relates to a working method for operating a hot-wind cupola, more precisely to control the combustion of the warm, unpurified hot, unpurified gaseous gases of a hot-wind cupola, which are preferably sucked out of an annular chamber below the opening, in a combustion chamber immediately downstream of this and charged with combustion air Combustion chamber, the wind being heated by the flue gases generated during the combustion and excess flue gas heat possibly being used in a waste heat boiler, for example.
  • the invention further relates to a device for operating a hot-wind cupola, more precisely to control the combustion of the blast furnace gas of a hot-wind cupola, which has a charging opening and an annular chamber, preferably arranged below the charging opening, from which the warm, uncleaned heat fluctuating calorific value is obtained Top gases must be extracted into a combustion chamber located outside the furnace and burned in the combustion air supplied together with the combustion chamber, the wind to be directed into the furnace being heated by the flue gases generated during the combustion by means of a heating device and excess flue gas heat by means of a heat extraction device , such as a waste heat boiler, is to be used for other purposes.
  • a heat extraction device such as a waste heat boiler
  • the cupola furnace which has long been known in its basic structure, is the most common and therefore dominant melting unit for the production of cast iron, malleable iron, etc. in foundries.
  • a cupola furnace generally consists of a cylindrical, vertical furnace shaft, in which, as so-called iron carriers, pig iron pellets, steel scrap, cast iron and its own cycle, as well as relatively coarse coke as fuel and limestone as a slag generator be used.
  • the combustion air for burning the coke located in the furnace shaft is usually blown into the furnace shaft through a plurality of radial openings arranged approximately 1.0 to 1.5 m above the floor. The burning coke heats and melts and overheats the iron carriers in its vicinity.
  • the liquid iron and the slag eventually run out of the furnace from a common or separate so-called siphon, while the top gas is sucked off either above or below the charging opening, burned and used to preheat the wind, with larger modern smelting plants before Combustion, the top gas is cleaned.
  • an optimal utilization of the energy supplied to the cupola furnace with the coke is to be striven for, so that extensive combustion of the carbon contained in the coke to carbon dioxide and extensive heat transfer of the sensible heat of the blast furnace gas to the charged feedstocks is desired.
  • the temperature of the top gases fluctuates with the unavoidable fluctuating composition of the iron carriers, the mean wall thickness of the iron carrier particles and the bulk density being of particular importance. As the wall thickness decreases, the heat transfer from the blast furnace gas to the scrap improves. With increasing bulk density, the dwell time of the feed materials in the furnace increases, which improves the heat transfer.
  • the composition of a top gas of a cupola furnace also fluctuates with the amount of so-called false air sucked in through the charging opening, which leads to an uncontrolled cooling and dilution of the top gas, this influence on the top gas composition being decisively determined by the pouring column of the insert, which drops in rhythm with the charging .
  • the quantity of false air is also determined by the flow resistance of the material column, that is to say by the composition of the charged material, so that for this reason too, limit cases occur in which the ignition of the blast furnace gas is not guaranteed.
  • Such wet dedusting devices consist of a so-called saturator, in which the top gas is sprayed with so much water that it is completely saturated with water vapor is, with the larger part of the easily wettable dust particles being discharged with the excess water and a downstream fine washer, in which the fine. Coagulate dust particles with water droplets in such a way that the dust-laden droplets can then finally be separated out in a droplet separator.
  • a wide variety of constructions are used as fine washers, which work according to the principle of the Venturi throat with water, or so-called disintegrators are used in which small water drops are formed by a rotating rotor, which coagulate with the very fine dust particles of the blast furnace gas.
  • Such wet washers can remove the very fine dusts of the cupola furnace, which consist predominantly of metal oxides, to a reasonably satisfactory degree only with high (generally electrical) energy expenditure, with residual amounts of dust generally remaining, which are considered to be very high, in particular in view of today's emission protection efforts.
  • This clean gas dust content can be improved to values below 50 mg / m 3 with disintegrators and / or high-performance venturi scrubbers if you take a correspondingly large amount of energy into account for the acceleration of the dust particles or for the formation of fine droplets, but it is today no longer responsible from an energy policy point of view, to pursue an arbitrarily high expenditure of energy for certain technical goals, which also has a decisive impact on costs.
  • the ignition is more difficult in a wet scrubbing purified stack gases in addition by the in the furnace top gas at saturation temperatures of 50 contained up to 60 0 C water vapor from, so that usually gas coolers are used in such installations where the Cool the top gases after saturation to temperatures of 30 to 40 ° C in order to reduce the water vapor content which hinders the ignition by condensation.
  • cupola furnaces with a directly adjacent combustion chamber have significant advantages, which are particularly important when it comes to recovering energy and cleaning the exhaust gases as far as possible, since the sensible heat of the top gas is not lost in such systems because harmful hydrocarbons are cracked in the combustion chamber, the carbon contained in the blast furnace gas burns in the combustion chamber without stressing the dust management, and the largely water-vapor-free flue gases reduce condensation and corrosion problems for heat exchangers, subsequent fabric filters and the like. cause.
  • the present invention has for its object to improve the known methods and devices of the type described above while avoiding their described and further disadvantages to the extent that the difficulties in controlling the combustion of the low-energy top gases with fluctuating temperature and composition are eliminated or at least largely eliminated are what creates a prerequisite for using the energetically, operationally and environmentally advantageous stoves of this type, the combustion control, in particular with regard to the allocation of combustion air, to be carried out with the greatest accuracy at the same time. Furthermore, the quality of the exhaust gas, ie the clean gas dust content, is to be improved considerably compared to the previously practiced methods and equipment and the amount of false air required for the smoke-free operation of the open top manhole is to be controlled by a reliable control circuit.
  • the amount of combustion air is regulated so that the excess air of the combustion is always kept constant.
  • a continuously measured component of the blast furnace gas (for example the CO content) can be used as a control variable for determining the excess air of combustion.
  • a constantly measured component of the flue gas is used to determine the excess air, and preferably the excess oxygen content in the flue gas, this method of operation having proven to be particularly useful because for the determination of the 0 2 Content measuring devices with a short reaction time of about 0.1 to 5 seconds are available, with a measuring device with a ceramic oxygen ion line being particularly suitable as an oxygen detector, as described in the "Reports of the German Ceramic Society" 52, 1975, no. 10, pages 321-324.
  • the method according to the invention taking into account the lockless furnace construction and the resulting quantity of false air, is based on the fact that this is appropriately taken into account as a proportion of the quantity of combustion air, the quantity of false air being used as a fixed or preferably variable proportion of the quantity of combustion air to meet the needs In this way, it is necessary to take into account any fluctuations in the quantity of false air that might counteract the combustion.
  • the combustion air can consist of a first air portion mixed with the blast furnace gas at the inlet of the combustion chamber and a second air portion having false air through the charging shaft, the two air portions generally being of different sizes and an air portion also becoming zero .
  • the second air fraction can be controlled in such a way that it ensures that, even in the event of pressure fluctuations in the furnace, no top gas escapes from the charging opening, the first air fraction then being controlled by a control circuit in such a way that the excess air from the combustion is always constant.
  • the first air fraction can expediently be chosen to be constant and large enough that with the lowest calorific value of the resulting blast furnace gas there is just enough combustion air, in which case no second air fraction is supplied, and that the second air fraction is only supplied at the higher calorific value of the blast furnace gas.
  • the combustion air can also consist only of the false air sucked in through the inspection shaft, the amount of combustion air then being controlled in turn by a corresponding control circuit so that the excess air of the combustion is kept constant.
  • the proposed according to the invention allows Process for the controlled combustion of the top gases occurring with a strongly fluctuating calorific value in a combustion chamber charged with unpurified top gas due to the surprisingly possible elimination of an upstream wet scrubbing with considerably less energy expenditure than the wet processes described, the achievement of a clean gas dust content below 10 mg / m 3 if subsequently cloth filter o .
  • a clean gas dust content below 10 mg / m 3 if subsequently cloth filter o .
  • the burnt flue gas which is indirectly cooled for the purpose of waste heat recovery without increasing volume, with a cloth filter and in this way to make use of the significantly better gas purification with, at the same time, considerably lower energy expenditure, as explained above.
  • the equipment part of the object of the present invention is achieved according to the invention by a control device with which the amount of combustion air to be supplied to the combustion chamber is to be controlled in such a way that the air excess of the combustion is constant.
  • the drawing shows a simplified, schematic D position of a hot-wind cupola furnace which is operated by means of the device according to the invention using the working method according to the invention.
  • the cupola furnace designated as a whole is a H Constantw cupola furnace, which has an insertion or inspection opening 2, one below the inspection opening 2 arranged annular chamber 3 for collecting the rising top gases, a wind ring 4 with nozzles 6 and a tap opening 7.
  • the furnace shaft 8 is essentially cylindrical and extends vertically.
  • the blast furnace gas rises in the furnace shaft according to arrow 9 and passes from this or the annular chamber 3 of the furnace 1 via a short connecting line 11 into the combustion chamber 16 immediately downstream of the cupola furnace 1.
  • the ° 2 content is constantly measured as a component of the flue gas, specifically with an oxygen probe 17 which is arranged in the combustion chamber 16 and works with a ceramic oxygen-ion line with a short reaction time.
  • the combustion air for the combustion chamber 16 consists not only of the false air sucked in through the chute 18, as may be the case in the embodiment of the present invention, but also of another supplied to the blast furnace gas via the air supply line 13 and mixed with it Air fraction, which is referred to below as "first air fraction" (during the air fraction of the combustion caused by the false air air is referred to as “second air fraction"), the second air fraction is controlled so that it ensures that, even with slight pressure fluctuations in the furnace, no top gas escapes from the charging opening 2, during the arrow 14 through the air supply line 13 admixed first air portion is controlled by a control loop so that the excess air of the combustion is always constant.
  • the constant first air fraction is chosen so large that at the lowest heating value of the blast furnace gas there is just enough combustion air, whereby under such conditions no second air fraction is then supplied, while the second air fraction is only supplied at a higher heating value of the blast furnace gas.
  • the wind indicated by the arrow 19 in the drawing is fed to the cupola furnace 1 via a wind pipe 21, but is still heated in a recuperator 22 before entering the furnace 1, specifically in a hot air heater 23, from which it is then heated reaches the furnace 1 via the horizontally represented section 21 'of the wind pipe 21.
  • the recuperator 22 also has a waste heat boiler 24, in which excess flue gas heat, which is not required for heating the wind, is used for further use, for example to create hot water in a hot water boiler 26.
  • the exemplary embodiment shown schematically is a lined furnace with a melting rate of 10 t / h, a wind temperature of 500 ° C, a top gas temperature of 250 ° C, a wind volume of 5,800 m 3 / h and a top gas quantity of 6.80 0 m 3 / h with 600 m 3 / h of false air, 17.1% N 2 '14 .4% CO, 10.5% C0 2 and 1.7% 0 2 , with a fixed amount of combustion air of 1,300 m 3 / h before the blast furnace gas is mixed into the combustion chamber 16 and a quantity of combustion air (valid for the above numerical example) of approximately 800 m 3 / h is sucked in through the charging opening 2 in the form of false air.
  • the second proportion of air is reduced to 300 m 3 / h with a CO content of 10% and increases to 2,000 m 3 / h with a CO content of 21%.
  • the excess air in the combustion is approx. 25% in all cases.
  • the swirl controller 27 on the suction fan 28 is raised, as a result of which the amount of combustion air sucked in as false air through the opening 2 is increased until the actual oxygen value in the flue gas corresponds to the specified oxygen setpoint.
  • the method according to the invention also results in a considerably more environmentally friendly quality of the exhaust gas 32, which is 10 times and more pure compared to the previously practiced methods.

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Abstract

Verfahren zum Steuern der Verbrennung der einen stark schwankenden Heizweit aufweisenden, warmen, ungereinigten Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens in einer diesem unmittelbar nachgeordneten, mit Verbrennungsluft beschickten Brennkammer, wobei die Menge der Verbrennungsluft so geregelt wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung konstant ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren zum Betreiben eines Heißwind-Kupolofens, genauer gesagt zum Steuern der Verbrennung der einen stark schwankenden Heizwert aufweisenden warmen, ungereinigten, vorzugsweise aus einer Ringkammer unterhalb der Begichtungsöffnung abgesaugten Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens in einer diesem unmittelbar nachgeordneten, mit Verbrennungsluft beschickten Brennkammer, wobei der Wind durch die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase erwärmt und überschüssige Rauchgaswärme ggf. beispielsweise in einem Abhitzekessel genutzt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zum Betreiben eines Heißwind-Kupolofens, genauer gesagt zum Steuern der Verbrennung der Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens, der eine Begichtungsöffnung und eine vorzugsweise unterhalb der Begichtungsöffnung angeordnete Ringkammer aufweist, aus welcher die einen stark schwankenden Heizwert aufweisenden warmen, ungereinigten Gichtgase in eine außerhalb des Ofens angeordnete Brennkammer abzusaugen und in dieser zusammen mit der Brennkammer zugeführter Verbrennungsluft zu verbrennen - sind, wobei der in den Ofen zu leitende Wind durch die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase mittels einer Heizeinrichtung zu erwärmen ist und überschüssige Rauchgaswärme mittels einer Wärmeentzugseinrichtung, wie z.B. einem Abhitzekessel, anderweitig zu nutzen ist.
  • Bei dem in seinem grundsätzlichen Aufbau bereits seit langem bekannten Kupolofen handelt es sich um das gebräuchlichste und damit dominierende Schmelzaggregat zur Herstellung von Gußeisen, Temperguß etc. in Gießereien. Man unterscheidet prinzipiell zwischen dem sogenannten Kaltwind-Kupolofen, bei dem aus dem sogenannten Windring über am Umfang des Kupolofens verteilte Düsen Wind (Luft) in den unteren Abschnitt des Kupolofens eingeleitet wird und dem prinzipiell gleich aufgebauten Heißwind-Kupolofen, dessen Wind vor der Einleitung in den Ofen erwärmt wird.
  • Ein Kupolofen besteht in aller Regel aus einem zylindrischen, vertikalen Ofenschacht, in welchen als sogenannte Eisenträger z.B. Roheisenmasseln, Stahlschrott, Gußbruch und eigener Kreislauf sowie als Brennstoff verhältnismäßig grobstückiger Koks und als Schlackebildner Kalkstein eingesetzt werden. Die Verbrennungsluft zum Verbrennen des im Ofenschacht befindlichen Kokses wird üblicherweise durch mehrere ca. 1,0 bis 1,5 m oberhalb des Bodens angeordnete, radiale Öffnungen in den Ofenschacht eingeblasen. Der verbrennende Koks erwärmt und schmilzt und überhitzt jeweils die in seiner Nachbarschaft befindlichen Eisenträger. Das flüssige Eisen und die Schlacke laufen schließlich aus einem gemeinsamen oder aber aus getrennten sogenannten Siphons aus dem Ofen aus, während das entstehende Gichtgas entweder oberhalb oder unterhalb der Chargieröffnung abgesaugt, verbrannt und zur Vorwärmung des Windes verwendet wird, wobei bei größeren modernen Schmelzanlagen vor der Verbrennung noch eine Reinigung des Gichtgases erfolgt.
  • Im Hinblick auf die Energiebilanz eines Kupolofens ist eine optimale Ausnutzung der dem Kupolofen mit dem Koks zugeführten Energie anzustreben, so daß eine weitgehende Verbrennung des im Koks enthaltenen Kohlenstoffs zu Kohlendioxid und eine weitgehende Wärmeübertragung der fühlbaren Wärme des Gichtgases an die chargierten Einsatzstoffe gewünscht wird.
  • Einer optimalen Ausnutzung der dem Kupolofen mit dem Koks zugeführten Energie sind indes metallurgische Grenzen gesetzt, da der Abbrand der Legierungselemente mit der ― Oxidation der Eisenträger im oberen Abschnitt des Ofenschachtes zunimmt und daher ein Mindestgehalt unvollständig verbrannten Kohlenstoffs in Form von Kohlenmonoxid zur Aufrechterhaltung einer reduzierenden Ofenatmosphäre erforderlich ist.
  • Es muß daher von Fall zu Fall ein wirtschaftliches Optimum gefunden werden, bei dem die Summe der aufzuwendenden Kosten für den Koks und die Legierungsstoffe möglichst minimal ist. Da die Oxidation der Eisenträger im wesentlichen von ihrer auf das jeweilige Gewicht bezogenen sogenannten spezifischen Oberfläche abhängt, die üblicherweise in dm2/kg angegeben wird, verschiebt sich dieses Optimum mit wachsender mittlerer Dicke der eingesetzten Eisenträger zu niedrigerem CO-Anteil bei niedriger Temperatur der Gichtgase. Aus diesem Grunde ergibt sich in vielen Fällen ein wirtschaftliches Optimum des Ofenbetriebes bei Gichtgasen mit so niedrigen CO-Anteilen und so niedriger Temperatur, daß eine sichere Zündung der Gichtgase nicht mehr unter allen Umständen gewährleistet - ist. Die Temperatur der Gichtgase .schwankt mit der nicht zu vermeidenden schwankenden Zusammensetzung der Eisenträger, wobei die mittlere Wandstärke der Eisenträgerteilchen und das Schüttgewicht eine besondere Bedeutung haben. Mit fallender Wandstärke verbessert sich der Wärmeübergang vom Gichtgas zum Schrott. Mit wachsendem Schüttgewicht vergrößert sich die Verweilzeit der Einsatzstoffe im Ofen, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird.
  • Die in der Schmelzzone stattfindende vollständige Ver- . brennung von Kohlenstoff zu Kohlendioxid wird oberhalb der Schmelzzone durch Reaktion der Gase mit der Oberfläche der Koksstücke teilweise rückgängig gemacht, wobei Kohlenmonoxid entsteht. Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, führt die in praxi in der.Regel schwankende Zusammensetzung der Eisenträger sowie die unterschiedliche spezifische Oberfläche des Kokses zu einer entsprechend schwankenden Temperatur und einer unterschiedlichen Zusammensetzung des Gichtgases. Wenn es aus den obigen Gründen nicht bei allen auftretenden Verhältnissen zu einer Zündung der Gichtgase kommt,führt dieses zu einem kurzfristigen Erlöschen der Flamme und anschließend beim erneuten Zünden zu Verpuffungen.
  • Die Zusammensetzung eines Gichtgases eines Kupolofens schwankt im übrigen auch mit der Menge der durch die Chargieröffnung angesaugten sogenannten Falschluft, die zu einer unkontrollierten Abkühlung und Verdünnung des Gichtgases führt, wobei diese Beeinflussung der Gichtgaszusammensetzung durch die im Rhythmus der Chargierung absinkende Schüttsäule des Einsatzes maßgeblich bestimmt wird. Im übrigen wird die Falschluftmenge auch durch den Strömungswiderstand der Materialsäule, also durch die Zusammensetzung des chargierten Materials mitbestimmt, so daß auch aus diesem Grunde Grenzfälle auftreten, in denen die Zündung des Gichtgases nicht gewährleistet ist.
  • Das in zahlreichen Veröffentlichungen der einschlägigen Fachwelt zum Ausdruck kommende allgemeine Vorurteil gegen eine Beaufschlagung eines Röhren-Rekuperators o.dgl. mit ungereinigten verbrannten Gichtgasen hat dazu geführt, daß insbesondere bei größeren Kupolofen-Schmelzanlagen mit Rekuperation praktisch ausschließlich die vor einem Rekuperator allein einsetzbaren Naßentstaubungseinrichtungen verwendet worden sind und daß demgemaß erst anschließend die gereinigten, bei der Naßentstaubung abgekühlten Gichtgase verbrannt wurden. Da eine Zündung kalter Gichtgase mit Temperaturen von etwa 30 - 500C auf besondere Schwierigkeiten stößt, werden dabei zusätzliche Wärmetauscher verwendet, um das abgekühlte Gichtgas oder/und die Verbrennungluft auf Temperaturen von 200 - 300°C vorzuwärmen.
  • Derartige Naßentstaubungseinrichtungen bestehen aus einem sogenannten Sättiger, in dem das Gichtgas mit so viel Wasser besprüht wird, daß es vollständig mit Wasserdampf gesättigt ist, wobei der größere Anteil der leicht benetzbaren Staubpartikel mit dem überschüssigen Wasser ausgetragen wird und einem nachgeordneten Feinwäscher, in welchem die feinen. Staubpartikel mit Wassertropfen so koagulieren, daß die staubbeladenen Tropfen schließlich anschließend in einem Tropfenabscheider ausgeschieden werden können.
  • Als Feinwäscher werden dabei unterschiedlichste Konstruktionen eingesetzt, die nach dem Prinzip.der mit Wasser beaufschlagten Venturikehle arbeiten, oder es werden sogenannte Desintegratoren eingesetzt, in denen durch einen umlaufenden Rotor kleine Wassertropfen gebildet werden, welche mit den sehr feinen Staubpartikeln des Gichtgases koagulieren.
  • Derartige Naßwäscher können die vorwiegend aus Metalloxiden bestehenden sehr feinen Stäube des Kupolofens nur mit hohem (im allgemeinen elektrischem) Energieaufwand einigermaßen befriedigend entfernen, wobei in der Regel noch Reststaubmengen verbleiben, die insbesondere im Hinblick auf die heutigen Emissionsschutzbestrebungen als sehr hoch angesehen werden.
  • So ist noch heute eine Vielzahl von Naßwäschern in Betrieb, die mit einem sog. Reingasstaubgehalt von 200 bis 300 mg/m3 Rauchgas betrieben werden. Dieser Reingasstaubgehalt kann zwar mit Desintegratoren oder/und Hochleistungs-Venturiwäschern bis auf Werte unter 50 mg/m3 verbessert werden, wenn man einen entsprechend großen Energieaufwand für die Beschleunigung der Staubpartikel bzw. für die Bildung feiner Tröpfchen in Kauf nimmt, doch ist es heutzutage energiepolitisch nicht mehr zu verantworten, für bestimmte technische Ziele einen beliebig hohen Energieaufwand zu betreiben, der sich im übrigen auch entscheidend in den Kosten niederschlägt.
  • Bezüglich der weiter oben angesprochenen Zündungsschwierigkeiten sei noch darauf hingewiesen, daß die Zündung von in einer Naßwäsche gereinigten Gichtgasen zusätzlich durch den im Gichtgas bei Sättigungstemperaturen von 50 bis 600 C enthaltenen Wasserdampf erschwert wird, so daß bei derartigen Anlagen üblicherweise Gaskühler eingesetzt werden, welche die Gichtgase nach der Sättigung auf Temperaturen von 30 bis 40°C abkühlen, um den die Zündung behindernden Wasserdampfanteil durch Kondensation zu reduzieren.
  • Schließlich wird auch bei derartigen Anlagen die Zündung der Gichtgase durch den schwankenden Anteil der durch die Chargieröffnung der oben angesaugten Falschluft erschwert, wobei sich gezeigt hat, daß die Falschluftmenge mit den vom Ofendruck in der ringförmigen Absaugkammer abhängigen üblichen Regelkreisen nicht auf einem festen Wert gehalten werden kann.
  • Aus diesen Gründen sind zur sicheren Verbrennung der auf diese Weise gereinigten Abgase von einem Hersteller besondere Brenner entwickelt worden, welche eine Zumischung von Erdgas zum Gichtgas in denjenigen Arbeitsphasen ermöglichen, in denen das Gichtgas keinen zur kontinuierlichen Aufrechterhaltung der Verbrennung ausreichenden Wärmeinhalt hat.
  • Dagegen sind in den letzten Jahren nur außerordentlich selten Kupolofen-Schmelzanlagen mit unmittelbar anschließender Brennkammer zur Verbrennung der ungereinigten Gichtgase und nachgeschaltete Wärmetauscher zur Vorwärmung des Windes sowie zur weiteren Verwertung überschüssiger Abhitze mit anschließender Gasreinigung in Betrieb genommen worden, weil bei unkontrollierter Verbrennung und Kühlung der Rauchgase die Gefahr besteht, daß erweichte Flugasche an der Rohrwandung der Wärmetauscher anhaftet, und weil die Stabilisierung der Verbrennung bei der schwankenden Temperatur und Zusammensetzung der Gichtgase Schwierigkeiten bereitet.
  • Nun haben aber Kupolofen-Schmelzanlagen mit unmittelbar anschließender Brennkammer bedeutende Vorteile, die insbesondere dann zum Tragen kommen, wenn es auf die Rückgewinnung von Energie und eine möglichst weitgehende Reinigung der Abgase besonders ankommt, da bei derartigen Anlagen die fühlbare Wärme des Gichtgases nicht verlorengeht, weil schädliche Kohlenwasserstoffe in der Brennkammer gecrackt werden, der im Gichtgas enthaltene Kohlenstoff in der Brennkammer ohne Belastung der Staubwirtschaft verbrennt, und die weitgehend wasserdampffreien Rauchgase geringere Kondensations- und Korrosionsprobleme für Wärmetauscher, anschließende Gewebefilter u.dgl. hervorrufen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren und Einrichtungen der eingangs beschriebenen Gattung unter Vermeidung ihrer geschilderten und weiterer Nachteile dahingehend zu verbessern, daß die Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Verbrennung der energiearmen Gichtgase mit schwankender Temperatur und Zusammensetzung eliminiert bzw. zumindest weitgehendst beseitigt sind, was eine Voraussetzung für eine Nutzung der energetisch, betriebstechnisch und umwelttechnisch vorteilhafteren Öfen dieses Typs schafft, wobei die Verbrennungssteuerung insbesondere hinsichtlich der Zuteilung von Verbrennungsluft zugleich mit höchster Genauigkeit erfolgen soll. Weiterhin soll die Qualität des Abgases, d.h. also der Reingasstaubgehalt, gegenüber den bisher praktizierten Verfahren und eingesetzten Einrichtungen be- , achtlich verbessert werden und für den rauchfreien Betrieb des oben offenen Begichtungsschachtes nötige Falschluftmenge durch einen betriebssicheren Regelkreis gesteuert werden.
  • Als Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe ist vorgesehen, daß die Menge der Verbrennungsluft so geregelt wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung stets konstant gehalten wird.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungssteuerung kann mit relativ niedrigem Luftüberschuß gefahren werden, der trotz schwankender Gichtgaszusammensetzung konstant zu halten ist.
  • Als Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung kann ein kontinuierlich gemessener Bestandteil des Gichtgases (beispielsweise der CO-Gehalt) verwendet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für die Bestimmung des Luftüberschusses ein ständig gemessener Bestandteil des Rauchgases, und zwar vorzugsweise der überschüssige Sauerstoffanteil im Rauchgas, verwendet, wobei sich diese Arbeitsweise deswegen als besonders zweckmäßig herausgestellt hat, weil für die Bestimmung des 02-Gehaltes Meßeinrichtungen mit kurzer Reaktionszeit von etwa 0,1 bis 5 Sekunden zur Verfügung stehen, wobei sich als Sauerstoffdetektor insbesondere eine Meßeinrichtung mit keramischer Sauerstoff-Ionenleitung eignet, wie dieses-in den "Berichten der Deutschen Keramischen Gesellschaft" 52, 1975, Nr. 10, Seite 321 - 324 beschrieben ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt unter Berücksichtigung der schleusenlosen Ofenkonstruktion und der sich hieraus ergebenden Falschluftmenge darauf ab, daß diese als Anteil der Verbrennungsluftmenge in geeigneter Weise berücksichtigt wird, wobei die Falschluftmenge als fester beziehungsweise vorzugsweise variabler Anteil der Verbrennungsluftmenge herangezogen wird, um,die den Bedürfnissen der Verbrennung ggf. entgegenwirkende Schwankung der Falschluftmenge so zu berücksichtigen.
  • Demgemäß kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verbrennungsluft aus einem dem Gichtgas am Einlaß der Brennkammer zugemischten ersten Luftanteil sowie aus einem als Falschluft durch den Begichtungsschacht aufweisenden zweiten Luftanteil bestehen, wobei die beiden Luftanteile in aller Regel unterschiedlich groß sind und ein Luftanteil auch zu Null werden kann.
  • Der zweite Luftanteil kann gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung so gesteuert werden, daß durch ihn sichergestellt wird, daß auch bei Druckschwankungen im Ofen kein Gichtgas aus der Beschickungsöffnung austritt, wobei dann der erste Luftanteil durch einen Regelkreis so gesteuert wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung stets konstant ist.
  • Der erste Luftanteil kann zweckmäßigerweise konstant und so groß gewählt werden, daß bei niedrigstem Heizwert des entstehenden Gichtgases gerade ausreichend Verbrennungsluft vorhanden ist, wobei dann kein zweiter Luftanteil zugeführt wird, und daß der zweite Luftanteil nur beim höheren Heizwert des Gichtgases zugeführt wird.
  • Die Verbrennungsluft kann erfindungsgemäß aber auch nur aus der durch den Begichtungsschacht angesaugten Falschluft bestehen, wobei die Verbrennungsluftmenge dann durch einen entsprechenden Regelkreis wiederum so gesteuert wird, daß der Luftüberschuß der'Verbrennung konstant gehalten wird.
  • Im übrigen gestattet das erfindungsgemäß-vorgeschlagene Verfahren zur gesteuerten Verbrennung der mit stark schwankendem Heizwert anfallenden Gichtgase in einer mit ungereinigtem Gichtgas beaufschlagten Brennkammer aufgrund des überraschend möglichen Fortfalls einer vor geschalteten Naßwäsche mit gegenüber den beschriebenen Naßverfahren ganz erheblich geringerem Energieaufwand die Erzielung eines Reingasstaubgehaltes unter 10 mg/m3 wenn anschließend Tuchfilter o.dgl. zur Gasreinigung herangezogen werden, wobei keine Gefahr eines Anfritten überhitzter Aschepartikel an den Rohrwandungen des Wind erhitzers auftritt. Es besteht dabei also die Möglichke das verbrannte, zum Zwecke der Abhitzeverwertung ohne Volumenzuwachs indirekt gekühlte Rauchgas mit einem Tuchfilter zu reinigen und auf diese Weise von der erheblich besseren Gasreinigung bei gleichzeitig ganz erheblich geringerem Energieaufwand Gebrauch zu machen, wie weiter oben erläutert worden ist.
  • Der einrichtungsmäßige Teil der der vorliegenden Erfind zugrunde liegenden, oben angegebenen Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Regeleinrichtung, mit welc die Menge der der Brennkammer zuzuführenden Verbrennung luft so zu regeln ist, daß der Luftüberschuß der Verbrennung konstant ist.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäße Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte, schematisierte D stellung eines Heißwind-Kupolofens, der mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung nach dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren betrieben wird. Bei dem im ganzen mit 1 bezeichneten Kupolofen handelt es sich um einen Heißw Kupolofen, der eine Einwurf- bzw. Begichtungsöffnung 2, eine unterhalb der Begichtungsöffnung 2 angeordnete Ringkammer 3 zum Sammeln der aufsteigenden Gichtgase, einen Windring 4 mit Düsen 6 und eine Abstichöffnung 7 aufweist.
  • Der Ofenschacht 8 ist im wesentlichen zylindrisch und verläuft vertikal. Das Gichtgas steigt gemäß dem Pfeil 9 im Ofenschacht auf und gelangt aus diesem beziehungsweise der Ringkammer 3 des Ofens 1 über eine kurze Verbindungsleitung 11 in die dem Kupolofen 1 unmittelbar nachgeordnete Brennkammer 16.
  • Gemäß dem Pfeil 12 gelangt von oben her Falschluft in den Kupolofen 1, die sich zum Teil mit dem Gichtgas vermischt.
  • Am Einlaß der Brennkammer 16 befindet sich eine Luft-Zuführleitung 13. mittels welcher dem in die Brennkammer strömenden Gichtgas ein erster Luftanteil beizumischen ist, der mit einem Pfeil 14 angedeutet ist.
  • Als Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung wird als Bestandteil des Rauchgases der °2-Gehalt ständig gemessen, und zwar mit einer Sauerstoffsonde 17, die in der Brennkammer 16 angeordnet ist und mit keramischer Sauerstoff-Ionenleitung bei kurzer Reaktion zeit arbeitet.
  • Besteht die Verbrennungsluft für die Brennkammer 16 nicht nur aus der durch den Begichtungsschacht 18 angesaugten Falschluft, wie dieses in der Ausgestaltung der vorliegende Erfindung der Fall sein kann, sondern darüber hinaus aus einem dem Gichtgas über die Luft-Zuführleitung 13 zugeführte und mit diesem vermischten weiteren Luftanteil, der vor- unc nachstehend mit "erster Luftanteil" bezeichnet ist (während der von der Falschluft gestellte Luftanteil der Verbrennung luft mit " zweiter Luftanteil" bezeichnet ist), so wird der zweite Luftanteil so gesteuert, daß durch ihn sichergestellt wird, daß auch bei geringen Druckschwankungen im Ofen kein Gichtgas aus der Begichtungsöffnung 2 austritt, während der gemäß dem Pfeil 14 durch die Luft-Zuführleitung 13 zugemischte erste Luftanteil durch einen Regelkreis so gesteuert wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung stets konstant ist. Der konstante erste Luftanteil ist so groß gewählt, daß bei niedrigstem vorkommendem Heizwert des Gichtgases gerade noch hinreichend viel Verbrennungsluft vorhanden ist, wobei unter derartigen Verhältnissen dann kein zweiter Luftanteil zugeführt wird, während der zweite Luftanteil nur bei einem höheren Heizwert des Gichtgases zugeführt wird.
  • Der in der Zeichnung mit dem Pfeil 19 angedeutete Wind wird dem Kupolofen 1 über eine Windleitung 21 zugeführt, vor dem Eintritt in den Ofen 1 jedoch noch-in einem Rekuperator 22 erwärmt, und zwar in einem Winderhitzer 23, aus dem er dann in erwärmtem Zustand über den horizontal dargestellten Abschnitt 21' der Windleitung 21 in den Ofen 1 gelangt. Der Rekuperator 22 besitzt darüber hinaus noch einen Abhitzekessel 24, in dem überschüssige Rauchgaswärme, die für die Erwärmung des Windes nicht erforderlich ist, zur weiteren Nutzung, beispielsweise zur Schaffung von Heißwasser in einem Heißwasserkessel 26 benutzt wird.
  • Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen gefutterten Ofen mit 10 t/h Schmelzleistüng, einer Windtemperatur von 500°C, einer Gichtgastemperatur von 250°C, einer Windmenge von 5.800 m3/h und einer Gichtgasmenge von 6.800 m3/h mit 600 m3/h Falschluft, 17,1 % N2' 14,4 % CO, 10,5 % C02 und 1,7 % 02, wobei eine feste Verbrennungsluftmenge von 1.300 m3/h dem Gichtgas vor der Brennkammer 16 zugemischt und eine (für das vorstehende Zahlenbeispiel geltende) Verbrennungsluftmenge von ca. 800 m3/h in Form von Falschluft durch die Chargieröffnung 2 angesaugt wird. Der zweite Luftanteil reduziert sich auf 300 m3/h bei einem CO-Gehalt von 10 % und vergrößert sich auf 2.000 m3/h bei einem CO-Gehalt von 21 %. Durch konstanthalten eines Anteils von 1,2 % 02 im Rauchgas beträgt der Luftüberschuß der Verbrennung in allen Fällen ca 25 %.
  • In dem bereits erwähnten zusätzlichen Regelkreis für die Gaswirtschaft des Kupolofens ist außer der die Regelgröße 02 bestimmenden Sauerstoffsonde 17 ein als Drallregler 27 ausgebildetes Stellglied vorhanden, welches vor dem Sauggebläse 28 angeordnet ist, wobei dem Drallregler 27 im übrigen noch ein Filter 29 sowie ein Kühler 31 vorgeordnet sind.
  • Bei einer Signalisierung eines Sauerstoffdefizits, also einem Sauerstoff-Istwert, der kleiner ist als der vorgegebene Sauerstoff-Sollwert, wird der Drallregler 27 am Sauggebläse 28 aufgefahren, wodurch die als Falschluft durch die Begichtungsöffnung 2 angesaugte Verbrennungsluftmenge solange erhöht wird, bis der Sauerstoff-Istwert im Rauchgas dem vorgegebenen Sauerstoff-Sollwert entspricht.
  • Abgesehen von der gegenüber bekannten Verfahren erheblich höheren Energieausbeute ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine erheblich umweltfreundlichere Qualität des Abgases 32, welches gegenüber den bisher praktizierten Verfahren um das 10fache und mehr reiner ist.

Claims (17)

1. Verfahren zum Steuern der Verbrennung der einen stark schwankenden Heizwert aufweisenden warmen, ungereinigten Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens in einer diesem unmittelbar nachgeordneten, mit Verbrennungsluft beschickten Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Verbrennungsluft so geregelt wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung konstant ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung ein kontinuierlich gemessener Bestandteil des Gichtgases, beispielsweise der CO-Anteil, verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung ein kontinuierlich gemessener Bestandteil des Rauchgases, beispielsweise der O2-Anteil, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses mittels einer Meßeinrichtung mit kurzer Reaktionszeit bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszeit der Meßeinrichtung 0, 1- 5 Sekunden beträgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus dem 02-Anteil des Rauchgases bestehenden Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung eine Meßeinrichtung mit keramischer Sauerstoff-Ionenleitung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft aus einem dem Gichtgas am Einlaß der Brennkammer zugemischten ersten Luftanteil sowie aus einem als Falschluft durch den Begichtungsschacht einströmenden zweiten Luftanteil besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftanteil so gesteuert wird, daß durch ihn sichergestellt wird, daß auch bei Druckschwankungen im Ofen kein Gichtgas aus der Beschickungsöffnung austritt; und daß der erste Luftanteil so gesteuert wird, daß der Luftüberschuß der Verbrennung stets konstant ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Luftanteil konstant und so groß gewählt wird, daß bei niedrigstem Heizwert des Gichtgases gerade ausreichend Verbrennungsluft vorhanden ist, wobei kein zweiter Luftanteil zugeführt wird; und daß der zweite Luftanteil nur bei einem höheren Heizwert des Gichtgases zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft (nur) aus der durch den Begichtungsschacht angesaugten Falschluft besteht.
11. Einrichtung zum Steuern der Verbrennung der Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens, der eine Begichtungsöffnung und eine vorzugsweise unterhalb der Begichtungsöffnung angeordnete Ringkammer aufweist, aus welcher die einen stark schwankenden Heizwert aufweisenden warmen, ungereinigten Gichtgase in eine außerhalb des Ofens angeordnete Brennkammer abzusaugen und in dieser zusammen mit der vor der Brennkammer zugeführtenVerbrennungsluft zu verbrennen sind, wobei der in den Ofen zu leitende Wind durch die bei der Verbrennung entstehenden Rauchgase mittels einer Heizeinrichtung zu erwärmen ist und überschüssige Rauchgaswärme mittels einer Wärmeentzugseinrichtung, wie zum Beispiel einem Abhitzekessel, anderweitig zu nutzen ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mit welcher die Menge der der Brennkammer (16) zuzuführenden Verbrennungsluft (12, 14) so zu regeln ist, daß der Luftüberschuß der Verbrennung konstant ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine Meßeinrichtung-:(17) mit kurzer Reaktionszeit von etwa 0,1.- 5 Sekunden aufweist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (17) mit keramischer Sauerstoff-Ionenleitung.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß der Brennkammer (16) eine Luft-Zuführleitung (13) vorgesehen ist, mittels welcher dem in die Brennkammer (16) einströmendem Gichtgas ein:erster Luftanteil beizumischen ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Luftanteil in einem Regelkreis so zu steuern ist, daß der Luftüberschuß konstant ist, wenn die Verbrennungsluft außerdem aus einem als Falschluft durch den Begichtungsschacht (18) einströmenden zweiten Luftanteil besteht.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftanteil mit einem Regelkreis so zu steuern ist, daß der Luftüberschuß konstant ist, wenn die Verbrennungsluft nur aus dem zweiten Luftanteil besteht.
17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied für den Regelkreis ein dem Abgassauggebläse (28) vorgeordneter Drallregler (27) u. dgl. vorgesehen ist.
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