EP0177627B1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Gichtgasverbrennung eines Heisswind-Kupolofens - Google Patents

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EP0177627B1
EP0177627B1 EP84112129A EP84112129A EP0177627B1 EP 0177627 B1 EP0177627 B1 EP 0177627B1 EP 84112129 A EP84112129 A EP 84112129A EP 84112129 A EP84112129 A EP 84112129A EP 0177627 B1 EP0177627 B1 EP 0177627B1
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EP
European Patent Office
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combustion
combustion chamber
air
gases
temperature
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EP84112129A
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Hans-Günther Dr.-Ing. Rachner
Giangaleazzo Romegialli
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Kuettner GmbH and Co KG
Original Assignee
Kuettner GmbH and Co KG
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Priority to EP84112129A priority patent/EP0177627B1/de
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    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/16—Controlling secondary air

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 , and with a burner equipped with an additional burner, the wind being heated by the flue gases generated during the combustion and excess flue gas heat possibly being used, for example, in a waste heat boiler.
  • 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 Top gases are sucked into a combustion chamber arranged outside the furnace and equipped with an additional burner and burned in this combustion air supplied 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 usually consists of a cylindrical, vertical furnace shaft in which, as so-called iron supports, e.g. Pig iron pellets, steel scrap, cast iron and its own cycle as well as relatively coarse coke fuel and limestone as slag formers are 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 warms 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 siphons, 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 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 of 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 blast furnace gas is sprayed with so much water that it is completely saturated with water vapor, the larger proportion of the easily wettable dust particles being carried off 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 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 loaded 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 top gas.
  • Such wet scrubbers can remove the very fine dusts of the cupola furnace, which consist predominantly of metal oxides, to a reasonably satisfactory degree only with a high (generally electrical) energy expenditure, with residual dust quantities generally remaining, which are considered to be very high, in particular in view of the current 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 amount of energy for certain technical goals, which also has a decisive impact on costs.
  • cupola melting plants with an immediately following 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 steam-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 other disadvantages in such a way 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 furnaces 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, i.e. This means that the clean gas dust content can be considerably improved compared to the methods and equipment used so far and the amount of false air required for the smoke-free operation of the open top inspection shaft can be controlled by a reliable control circuit.
  • the combustion should be controlled in such a way that the ignition of the blast furnace gases is ensured under all operational circumstances, and in addition unnecessary overheating of the dust particles carried along should be avoided, since this, among other things. can lead to the fact that the dust particles become plastic on the outside or even overall.
  • the actual temperature of the flame is measured and controlled to a target temperature, the size of which in turn is controlled by the also measured actual temperature of the combustion chamber wall.
  • the amount of combustion air is controlled according to the invention so that the temperature of the Flue gas in the combustion chamber is kept constant at the lowest value that is required for reliable ignition of the blast furnace gases, these values being able to be determined empirically.
  • the present invention it is provided that, in particular for the purpose of detecting poor top gases, i.e. If the excess air is too low, the oxygen content in the flue gas from the combustion chamber or the flue gas escaping from the combustion chamber is measured, and that the additional burner is switched on automatically when the oxygen content of the flue gas falls below a predetermined lower limit value, since with a correspondingly reduced air excess the a safe combustion of the blast furnace gases in the combustion chamber requires the required combustion temperature.
  • the amount of combustion air required to burn the blast furnace gases can, according to the invention, be partly sucked in as false air through the inspection opening or the upper furnace head and the annular chamber and admixed with the blast furnace gas, and partly - directly via a suitable distributor device in front of the combustion chamber - the combustion chamber are fed.
  • the (false air) amount of combustion air sucked in through the upper furnace head is expediently determined in such a way that smoke-free operation of the cupola furnace which is not covered at the inspection opening is possible.
  • this can be measured by a vacuum measurement in an annular chamber of the blast furnace gas extraction line or it can be determined by an oxygen measurement of the blast furnace gas in the blast furnace gas line.
  • the solution to the equipment part of the above object is characterized according to the invention by a control device by means of which the amount of combustion air to be supplied is to be controlled as a function of the temperature of the flame in the combustion chamber, which in turn is to be controlled as a function of the temperature of the chamber wall.
  • a control device by means of which the amount of combustion air to be supplied is to be controlled as a function of the temperature of the flame in the combustion chamber, which in turn is to be controlled as a function of the temperature of the chamber wall.
  • one or more temperature sensors can be arranged in the combustion chamber so that the mean value of the measured temperatures provides information about the flame temperature, the amount of combustion air being increased as the calorific value of the blast furnace gas increases, with the aim of keeping the flame temperature constant.
  • the control loop therefore has a sliding setpoint, the flame temperature required for reliable ignition of the blast furnace gases being preselected for the various temperatures of the combustion chamber and then being automatically monitored during operation.
  • the drawing shows a simplified, schematic representation 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 by 1
  • the furnace shaft 8 is essentially cylindrical and extends vertically.
  • the blast furnace gas rises in the furnace shaft according to arrow 9 and arrives 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.
  • An oxygen measuring device 15 is arranged in the connecting line 11, by means of which the proportion of false air is to be controlled in a control circuit, not shown.
  • the 0 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 above and below with "first air fraction" (while the air fraction of the combustion air provided by the false air is referred to as "second air fraction"), the second air fraction is controlled in such a way that it ensures that even at low pressure fluctuations in the furnace, no top gas escapes from the charging opening 2, while the first air portion admixed according to the arrow 14 through the air supply line 13 is controlled by a control circuit so that the flame temperature reaches the desired value.
  • the constant first air fraction is chosen so large that at the lowest calorific 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 calorific 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 then heats up in the heated state the horizontally shown section 21 'of the wind pipe 21 reaches the furnace 1.
  • 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 capacity 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 6,800 m 3 / h with 600 m 3 / h false air, 17.1% N 2 , 14.4% CO, 10.5% C0 2 and 1.7% 0 2 , with a fixed combustion air volume of 1,300 m 3 / h the top gas in front of the combustion chamber 16 admixed and a (for the above numerical example applicable) combustion air quantity of approx. 800 m 3 / h in the form of false air is sucked in through the charging opening 2.
  • the second proportion of air is 300 m 3 / h with a CO content of 10% and is 2,000 m 3 / h with a CO content of 21% if the flame temperature is kept constant at 900 ° C.
  • a control circuit for the gas management of the cupola furnace is provided, as well as an actuator designed as a swirl controller 27, which is arranged upstream of the suction fan 28, the swirl controller 27 being arranged upstream of a filter 29 and a cooler 31.
  • the method according to the invention also results in a considerably more environmentally friendly quality of the exhaust gas 32 which, compared to the methods previously practiced, has a clean gas dust content that is ten times lower.

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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, und mit einem Zusatzbrenner ausgerüsteten Brennkanmer, 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, mit einem Zusatzbrenner ausgerüstete Brennkammer abzusaugen und in dieser zusammen mit der Brennkanmer 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 Abschnit 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 Zusanmensetzung 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 Verbrennung 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 demgemäß erst anschließend die gereinigten, bei der Naßentstaubung abgekühlten Gichtgase verbrannt wurden. Da eine Zündung kalter Gichtgase mit Temperaturen von etwa 30 - 50°C 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 60° 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 Kupotofen-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 beachtlich verbessert werden und für den rauchfreien Betrieb des oben offenen Begichtungsschachtes nötige Falschluftmenge durch einen betriebssicheren Regelkreis gesteuert werden. Dabei soll die Steuerung der Verbrennung so erfolgen, daß die Zündung der Gichtgase unter allen betrieblich vorkommenden Umständen sichergestellt ist, wobei darüber hinaus eine unnötige Überhitzung der mitgeführten Staubpartikel vermieden werden soll, da dieses u.a. dazu führen kann, daß die Staubpartikel außen oder sogar insgesamt plastisch werden.
  • Als Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Ist-Temperatur der Flamme gemessen und auf eine Soll-Temperatur gesteuert wird, deren Größe ihrerseits von der ebenfalls gemessenen Ist-Temperatur der Brennkammerwandung gesteuert wird.
  • Eine derartige Steuerung hat sich überraschenderweise als kritisch und für eine Lösung der bestehenden Aufgabe als notwendig erwiesen, da sich herausgestellt hat, daß die Temperatur der Brennkammerwandung auf die Betriebsverhältnisse von überraschend großem Einfluß ist.
  • Im Hinblick auf die Teilaufgabe, die Verbrennung so zu steuern, daß die Zündung der Gichtgase unter allen Umständen sichergestellt ist, daß aber andererseits auch eine unnötige Überhitzung der mitgetragenen Staubpartikel vermieden wird, wird erfindungsgemäß die Verbrennungsluftmenge so gesteuert bzw. geregelt, daß die Temperatur des Rauchgases in der Verbrennungskammer auf dem tiefsten Wert konstantgehalten wird, der für eine sichere Zündung der Gichtgase erforderlich ist, wobei diese Werte empirisch ermittelbar sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß insbesondere zwecks Feststellung armer Gichtgase, d.h. eines zu geringen Luftüberschusses, der Sauerstoffgehalt im Rauchgas der Brennkanmer bzw. dem aus der Brennkammer entweichenden Rauchgas, gemessen wird, und daß der Zusatzbrenner selbsttätig zugeschaltet wird, wenn der Sauerstoffgehalt des Rauchgases einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet, da bei einem entsprechend verringerten Luftüberschuß die für eine sichere Verbrennung der Gichtgase in der Brennkammer erforderliche Verbrennungstemperatur nicht mehr zu erreichen ist.
  • Die zum Verbrennen der Gichtgase erforderliche Verbrennungsluftmenge kann erfindungsgemäß ggf. zum einen Teil als Falschluft durch die Begichtungsöffnung bzw. den oberen Ofenkopf und die Ringkammer angesaugt und dem Gichtgas beigemischt werden, und zum anderen Teil - über eine geeignete Verteilereinrichtung vor der Brennkammer - der Brennkammer unmittelbar zugeführt werden.
  • Die durch den oberen Ofenkopf angesaugte (Falschluft-)Verbrennungsluftmenge wird zweckmäßigerweise so bestimmt, daß ein rauchfreier Betrieb des an der Begichtungsöffnung nicht abgedeckten Kupolofens möglich ist. Um die hierfür erforderliche Falschluftmenge dosieren zu können, kann diese in Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durch eine Unterdruckmessung in einer Ringkammer der Gichtgas-Absaugeleitung gemessen werden oder aber sie kann durch eine Sauerstoffmessung des Gichtgases in der Gichtgasleitung festgestellt werden.
  • In Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist indes auch vorgesehen, eine Zufuhr von Verbrennungsluft vor der Brennkammer, und damit unmittelbar zur Brennkammer, vollständig zu unterlassen und die gesamte Verbrennungsluft als Falschluft (durch den oberen Ofenschacht und die Ringkammer) dem Gichtgas beizumischen, so daß dann die Mischung aus Gichtgas und Verbrennungsluft am Eintritt der kurz hinter dem Ofen liegenden Brennkanmer gezündet wird.
  • Die Lösung des einrichtungsmäßigen Teils der obigen Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mittels welcher die Menge der zuzuführenden Verbrennungsluft in Abhängigkeit von der Temperatur der Flamme in der Brennkammer zu steuern ist, die ihrerseits in Abhängigkeit von der Temperatur der Kammerwand zu steuern ist. Hierfür können in der Brennkammer ein oder mehrere Temperaturfühler so angeordnet sein, daß der Mittelwert der gemessenen Temperaturen einen Aufschluß über die Flammentemperatur gibt, wobei die Verbrennungsluftmenge gesteigert wird, wenn der Heizwert des Gichtgases steigt, mit dem Ziel, die Flammentemperatur konstant zu halten. Der Regelkreis weist mithin einen gleitenden Sollwert auf, wobei die für eine sichere Zündung der Gichtgase erforderliche Flammentemperatur für die verschiedenen Temperaturen der Brennkammer vorgewählt und anschließend im Betrieb automatisch überwacht werden können.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte, schematisierte Darstellung eines Heißwind-Kupolofens, der mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung nach dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren betrieben wird. Bei den im ganzen mit 1 bezeichneten Kupolofen handelt es sich um einen Heißwind-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.
  • In der Verbindungsleitung 11 ist eine Sauerstoffmeßeinrichtung 15 angeordnet, mittels welcher der Falschluftanteil in einem nicht dargestellten Regelkreis zu steuern ist.
  • Am Einalß der Brennkammer 16 befindet sich eine Luft-Zuführleitung 13, mittels welcher dem in die Brennkammer strömenden Gichtgas Luft beizumischen ist, die mit einem Pfeil 14 angedeutet ist. In der Brennkammer 16 ist ein Zusatzbrenner 20 angeordnet.
  • Als Regelgröße für die Bestimmung des Luftüberschusses der Verbrennung wird als Bestandteil des Rauchgases der 02-Gehalt ständig gemessen, und zwar mit einer Sauerstoffsonde 17, die in der Brennkammer 16 angeordnet ist und mit keramischer Sauerstoff-Ionenleitung bei kurzer Reaktionszeit arbeitet.
  • Besteht die Verbrennungsluft für die Brennkammer 16 nicht nur aus der durch den Begichtungsschacht 18 angesaugten Falschluft, wie dieses in der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Fall sein kann, sondern darüber hinaus aus einem dem Gichtgas über die Luft- Zuführleitung 13 zugeführten und mit diesem vermischten weiteren Luftanteil, der vor- und nachstehend mit "erster Luftanteil" bezeichnet ist (während der von der Falschluft gestellte Luftanteil der Verbrennungsluft 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 die Flammentemperatur den gewünschten Wert erreicht. 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 Schmelzleistung, 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 betragt 300 m3/h bei einem CO-Gehalt von 10 % und beträgt 2.000 m3/h bei einem CO-Gehalt von 21 %, wenn die Flammentemperatur von 900°C konstant gehalten wird.
  • In dem bereitserwähnten zusätzlichen Regelkreis für die Gaswirtschaft des Kupolofens ist außer der die Flammentemperaturgröße 02 bestimmenden Sauerstoffsonde 17 ein als Drallregler 27 ausgebildetes Stellglied vorhanden, weiches vor dem Sauggebläse 28 angeordnet ist, wobei dem Drallregler 27 im übrigen hoch ein Filter 29 sowie ein Kühler 31 vorgeordnet sind.
  • Bei einer Signalisierung eines Sauerstoffdefizits, also bei einem Sauerstoff-Istwert, der kleiner ist als der vorgegebene Sauerstoff-Sollwert, wird ein Zusatzbrenner eingeschaltet, um die Flammentemperatur konstant zu halten.
  • 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 einen um das lüfache geringeren Reingasstaubgehalt hat.
    Figure imgb0001

Claims (17)

1. Verfahren zum Steuern der Verbrennung der einen stark schwankenden
Heizwertaufweisenden, warmen, ungereinigten Gichtgase eines Heißwind-Kupolofens od.dgl. in einer diesem nachgeordneten, mit
Verbrennungsluft beschickten und mit einem Zusatzbrenner ausgerüsteten Brennkammer, wobei die Ist-Temperatur der Flamme gemessen und auf eine Soll-Temperatur gesteuert wird, deren Größe ihrerseits von der ebenfalls
gemessenen Temperatur der
Brennkammerwandung gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Temperatur der Flamme bei kalter Brennkammerwandung auf einen vorgegebenen Wert zwischen 850 und 1000°C und bei heißer Brennkammerwandung auf einen vorgegebenen Wert zwischen 700 und 900° eingestellt wird.
3. 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, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluftmenge so gesteuert bzw. geregelt wird, daß die
Temperatur des Rauchgases in der Brennkammer auf dem tiefsten Wert konstantgehalten wird, der für eine sichere Zündung der Gichtgase
erforderlich ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt in dem Rauchgas der Brennkammer gemessen wird; und daß der Zusatzbrenner selbsttätig zugeschaltet wird, wenn der Sauerstoffgehalt des Rauchgases einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzbrenner selbsttätig zugeschaltet wird, wenn der Sauerstoffgehalt des Rauchgases einen unteren Grenzwert von 0,5 bis 1,5 % unterschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das das Zuschalten des Zusatzbrenners auslösende Einschaltsignal zeitlich verzögert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verzögerung einstellbar ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verzögerung 0,1 bis 1 sec. beträgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Verbrennungsluftmenge zum einem Teil als Falschluft durch die Begichtungsöffnung bzw. den oberen Ofenschacht angesaugt wird und zum anderen Teil der Brennkammer unmittelbar zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Falschluftmenge durch eine Unterdruckmessung in einer Ringkammer der Gichtgasabsaugeleitung gemessen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Falschluftmenge durch eine Sauerstoffmessung in der Gichtgasleitung festgestellt wird.
12. 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, mit einem Zusatzbrenner ausgerüstete Brennkammer abzusaugen und in dieser zusammen mit der von der Brennkammer zugeführten 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 zum Beispiel einem Abhitzekessel, anderweitig zu nutzen ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mittels welcher die Menge der zuzuführenden Verbrennungsluft (12, 14) in Abhängigkeit von der Temperatur der Flamme in der Brennkammer (16) zu steuern ist, die ihrerseits in Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkammerwandung (16') zu steuern ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (16) hinter der Verbrennungszone eine Sauerstoffmeßeinrichtung (17) vorhanden ist, mittels welcher der Zusatzbrenner (20) so zu steuern ist, daß er bei einem Unterschreiten eines vorgegebenen unteren Sauerstoffgrenzwertes im Rauchgas selbsttätig zuzuschalten ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmeßeinrichtung (17) einen Halbleiter od.dgl. aufweist, so daß eine Verzögerung der Signalabgabe von ca. 0,1 bis 1 sec. möglich ist.
15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß der Brennkammer (16) eine Luftzuführleitung (13) vorgesehen ist, durch welche dem in die Brennkammer (16) einströmenden Gichtgas Luft zuzuführen ist.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gichtgasleitung (11) eine Sauerstoffmeßeinrichtung (15) vorhanden ist, mittels welcher in einem Regelkreis der Falschluftanteil zu steuern ist.
17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Ringkammer (3) so bemessen sind, daß ggf. die gesamte erforderliche Luftmenge dem Gichtgas als Falschluft zuzumischen ist.
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