EP1148311B1 - Verfahren zum Brennen von karbonathaltigem Material - Google Patents

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EP1148311B1
EP1148311B1 EP01810263A EP01810263A EP1148311B1 EP 1148311 B1 EP1148311 B1 EP 1148311B1 EP 01810263 A EP01810263 A EP 01810263A EP 01810263 A EP01810263 A EP 01810263A EP 1148311 B1 EP1148311 B1 EP 1148311B1
Authority
EP
European Patent Office
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burning
shaft
lances
fuel
kiln
Prior art date
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EP01810263A
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English (en)
French (fr)
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EP1148311A3 (de
EP1148311A2 (de
Inventor
Hannes Piringer
Walter Egger
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Maerz Ofenbau AG
Original Assignee
Maerz Ofenbau AG
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Publication date
Application filed by Maerz Ofenbau AG filed Critical Maerz Ofenbau AG
Publication of EP1148311A2 publication Critical patent/EP1148311A2/de
Publication of EP1148311A3 publication Critical patent/EP1148311A3/de
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Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B1/00—Combustion apparatus using only lump fuel
    • F23B1/30—Combustion apparatus using only lump fuel characterised by the form of combustion chamber
    • F23B1/36—Combustion apparatus using only lump fuel characterised by the form of combustion chamber shaft-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/24—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a vertical, substantially cylindrical, combustion chamber

Definitions

  • the invention relates to a method for firing carbonate-containing Material in a shaft furnace, with gravity feed by a preheating zone, at least one firing zone and a cooling zone to a discharge device, wherein a Fuel supply in the combustion zone or adjacent to this takes place over several guided through the shaft wall burning lances and combustion air supplied as cooling air under pressure becomes.
  • An energy-saving mode of operation is through multi-shaft furnaces after the DC regenerative process in so-called MAERZ ovens given. At them the fuel gets through hanging in the firing dipping arranged burning lances fed in the feed zone evenly over the Shaft cross section are arranged distributed. Such ovens known However, they are only suitable for soft fires.
  • US-A-3 355 158 describes a firing furnace, distributed over its cross-section Burner are arranged, which are befastigt adjustable on the shaft wall transversely thereto.
  • the invention has for its object to provide a method of to find the type mentioned by the particular small-grained fuel with different degrees of combustion to the deadburn in an economical way in shaft furnaces be burned to a high quality product can.
  • a method of the aforementioned Art proposed according to the invention thereby characterized is that the Firing lances for selecting the position of their Mouths are moved during furnace operation perpendicular to the shaft wall so that the at the Firing lances forming single flames together one Form flame area at least approximately above the entire shaft cross-section extends; to burn becomes one Material selected whose grain size ranges from 5 to 70 mm lies.
  • each burner lance preferably only for the generation of each a flame is provided, it has compared to numerous Brenner burner having a low Cross section and therefore only leads to a negligible Influencing the fuel flow. It's surprising shown that the burning lances nevertheless sufficient Flexural strength have to the pressure of it flowing around to take up granular fuel.
  • each burning lance perpendicular to Shaft wall is prevented between itself and the Shaft wall forms a gap by accumulating fuel could.
  • the local restriction of the shaft cross-section through the fire lances projecting into it decrease by adding the focal lances in multiple levels on top of each other and to those of another level in the circumferential direction be arranged offset so that the required Fuel quantity distributed over several shafts is supplied.
  • the height of the furnace shaft 2 is by the method in connection with the setting of the conveying speed by means of the discharge device 5 to be determined residence times of the fuel. These residence times spread over an upper, to the loading area 6 subsequent preheating zone 7, on one down following combustion zone 8 and one to the discharge device. 5 extending cooling zone 9.
  • the supply of gaseous, liquid or powdery Fuel takes place over numerous, in one or more levels 10 to 12 arranged burning lances 13, extending through the Shaft wall 3,4 extend into the shaft space 2 inside.
  • the temperatures would be in the Near the shaft wall too high, with the risk of sintering together and in the middle of the shaft too low and below the indicated by the curve 17 minimum firing temperature.
  • the radial positions that can be read on the abscissa of the diagram are only relative and not specific Shaft diameter related. However, the shaft diameter can a radius of 1, although larger Well dimensions can be realized, e.g. with a Diameter of three or more meters.
  • the combustion tube 18 has a connecting piece 22 for the supply line primary combustion air. Furthermore, at the rear End of the fuel lance 13 a coaxially with this running Fuel pipe 23,24 or 25 used, depending on the type of fuel to use different is executed. For powdered fuel, the fuel pipe has the shape of a short nozzle 23 accordingly Figure 7. For liquid and gaseous fuel extends the fuel pipe 24 or 25 until shortly before the mouth 14 of the burning lance 13, to there with the in the enclosing Ring channel 26 incoming primary combustion air mix.
  • Figures 3 to 5 illustrate a different angular arrangement the arranged in three levels burning lances 13, so that the burning lances 13 to those of another level are angularly offset.
  • the burning lances 13 of the different focal planes 10, 11 and 12 is a special even with small flame training extensive coverage of the shaft cross-section through given at each of the mouths 14 forming flames.
  • the size of these flames is due to several factors determined, i. the amount of fuel, the amount of primary and secondary combustion air and the grain size of the fuel. A small grain size leads to a denser bulk packing and thus to a lesser Propagation of the flame.
  • the limitation of the Grain size to a range preferably less than 70 mm grain size the advantage of a lower mechanical load the transversely projecting into the flowing bulk material Burning lances 13 and the advantage of a smaller adjustable Residence time, allowing a sintering of fuel can be prevented by a short residence time.
  • the particle size distribution in the smallest possible area For one uniform degree of combustion should the particle size distribution in the smallest possible area.
  • the relevant fuel lance be held in the manner of a weighing beam, with a Force measuring point outside the shaft wall 3 and with a Device for generating mechanical oscillations in the Overshoot of a permissible force is switched on automatically becomes. In this way, the burning lance can be shake it free, if it should form a jam on it. A shaking of the burning lance can also be her pushing in facilitate the filled shaft space 2.
  • the fuel supply in the individual focal planes 10, 11 and 12 can be individually adjusted to zero, depending on from the desired degree of combustion or the residence time in a certain temperature range a certain temperature profile in the shaft longitudinal direction or in the flow direction to receive the incoming air from below.
  • This air is kept in the range of e.g. designed as a sliding table Discharge device 5 with overpressure by at least an unillustrated blower supplied so that they are in Countercurrent to the downwards moving by gravity Bulk column through the grain structure upwards flows. At first, it serves as cooling air in the cooling zone 9, then in the combustion zone 8 as, for example, secondary Combustion air and last, in the upper preheating zone. 7 the oven to preheat the fuel and thereby, accordingly a preferred embodiment of the invention, for Preheating the flowing to the fuel lances 13, primary Combustion air in there arranged hanging heat exchange tubes 29th
  • the invention essential arrangement of the burning lances 13 and from their mouths 14, distributed over the shaft cross-section, allows new types of process management, with special high flame temperatures in the range of 1800 ° C in a short Dwell time without being at such temperatures in itself expected sintering, i. the formation of blökken occurs, so that was previously impossible Hard burning in vertical shaft furnace with gaseous, liquid and powdered fuels is possible.
  • FIGs of Figs. 10 to 13 show for a particular Dwell time due to the control of the fuel supply in conjunction with adapted primary air supply via the burning lances 13 and countercurrently supplied secondary Combustion air achievable temperature curves for the fuel lime (CaCO3), based on the longitudinal section of the shaft furnace.
  • the temperature of the fuel represented by a solid line 30, while the temperature of the forming by the combustion Fuel gas and the cooling or Sekundärverbrennungs Kunststoff the dashed line 31 corresponds.
  • the fuel supply is graded over in the three Focal planes 10 to 12 arranged burning lances 13 in substantially less than hard firing, so that flame temperatures corresponding to the three temperature peaks 32 train up to 34. at about 1200 ° C in the first focal plane and at about 1400 ° C in the third focal plane.
  • the fuel flowing from top to bottom thus passes in the first focal plane 30 first in contact with fuel gas of 1200 ° Celsius and in the subsequent focal planes with hotter fuel gas of a maximum of about 1400 ° C.
  • the combustion zone 8 has a corresponding long extension in the direction of the chess with correspondingly larger Dwell time of the fuel in the firing zone 8.
  • This heating takes place within the furnace 1 ', by the combustion air is guided through heat exchange tubes 36, which are connected to an and return part 37, 38 hanging vertically and in the circumferential direction of the shaft 2 or evenly on the shaft cross-section distributed in the fuel of the preheating zone. 7 plunge.
  • the arrangement of the heat exchange tubes 36 in the oven 1 'in direct contact with the kiln and the fuel gases leads to a particularly good heat transfer through heat conduction, Convection and heat radiation.
  • the heat exchange surfaces of the tubes 36 through the under Gravity influence on fuel flowing along them cleaned automatically.
  • the possible savings in heat energy is compared to a furnace without preheating of primary combustion air approx. 7 to 10%, at an exhaust gas temperature from about 190 ° C instead of about 330 ° C.
  • Figs. 11 and 13 illustrate that due to the additional one Heat exchanges in the tubes 36 resulting different Temperature profile in the direction of the chute.
  • the double shaft furnaces 40, 40 'and 40 "of the embodiments the invention of Fig.14 to Fig16 are like the operated MAERZ-ovens operated by the regenerative process.
  • the switching of these flow conditions in the oven at intervals of, for example 10 to 15 minutes.
  • FIG.14 16 illustrate by the directional arrows the operating state, in the combustion air to the shaft 41 via the line 47 supplied and the exhaust gas from the other shaft 42 is derived via line 48.
  • the same switching principle can also be more than two parallel to each other Manholes 41, 42 operated with alternating operating state become.
  • the double shaft furnace according to Fig.15 are in both shafts. 41,42 only transversely arranged firing lances 55 provided. Of the In contrast, double shaft furnace according to FIG Preheating area 56 hanging arranged heat exchange tubes 58th for heating of primary combustion air, as previously for Einschachtofen has been described according to Fig.2.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen von karbonathaltigem Material in einem Schachtofen, mit Schwerkraftförderung durch eine Vorwärmzone, mindestens eine Brennzone und eine Kühlzone zu einer Austragsvorrichtung, wobei eine Brennstoffzufuhr in der Brennzone oder angrenzend an diese über mehrere durch die Schachtwand geführte Brennlanzen erfolgt und Verbrennungsluft als Kühlluft unter Überdruck zugeführt wird.
Besonders beim Brennen von kleinkörnigem Material, d.h. bei einem wesentlichen Anteil an zu brennendem Material mit einer Korngrösse von weniger als 30 mm besteht das Problem, die erforderliche Wärmemenge dem Material gleichmässig zuzuführen, so dass jedes Korn bis zu seinem Kern durchgebrannt wird, ohne dass die Körner durch örtliche Überhitzung zusammensintern und im Ofen feste Brücken bilden. Dieses Problem ist besonders gross, wenn über einen Weichbrand hinausgehende, höhere Brenngrade verlangt werden.
Für kleinkörniges Brennmaterial und eine gleichmässige Brenn- und damit Produktqualität sind Drehrohröfen am besten geeignet, da eine intensive Materialumwälzung einen guten und gleichmässigen Wärmeübergang zu jedem Korn gewährleistet. Nachteilig ist jedoch, dass ihre Konstruktion sehr aufwendig ist und dass zu den entsprechend hohen Investitionskosten noch hohe Betriebskosten hinzukommen, bedingt durch hohen Verschleiss und hohe Wärmeverluste durch Abstrahlung und durch Abgase, die sich bei der Anwendung höherer Temperaturen , wie sie für höhere Brenngrade bzw. andere Produktqualitäten, wie Mittel-, Hart- und Sinterbrand erforderlich sind, besonders stark auswirken.
Eine andere Methode, die zum Brennen erforderliche Wärmemenge dem Brenngut gleichmässig zuzuführen, besteht im Beimischen von Brennstoff, d.h. von Hüttenkoks zum Brenngut in Mischfeueröfen. Mischfeueröfen sind jedoch nicht für kleinkörniges Brennmaterial geeignet. Ausserdem haben sie den erheblichen Nachteil, dass die Asche der Koksverbrennung im fertig gebrannten Produkt verbleibt und somit zu einer mit Graufärbung verbundenen, minderen Produktqualität führt.
Eine energiesparende Betriebsweise ist durch Mehrschachtöfen nach dem Gleichstrom-Regenerativ-Verfahren in sogenannten MAERZ-Oefen gegeben. Bei ihnen wird der Brennstoff durch hängend in das Brenngut eintauchende angeordnete Brennlanzen zugeführt, die in der Beschickungszone gleichmässig über den Schachtquerschnitt verteilt angeordnet sind. Solche Öfen bekannter Ausführung sind jedoch nur für Weichbrand geeignet.
In der US-A-5,460,517 ist beschrieben, wie durch besondere Korngrössenverteilung beim Beschicken des Ofens, kombiniert mit einer speziellen Gestaltung der Schachträume auch ein Brennen von kleinkörnigerem Brennmaterial möglich ist.
Wenn auch für einen Hartbrand geeignete Mengen an Brennstoff der Brennzone eines Schachtofen zugeführt werden sollen, um die hierzu erforderlichen Brenntemperaturen zu erreichen, bestehen bisher nicht überwundene Schwierigkeiten, eine gleichmässige Temperaturverteilung über den Schachtquerschnitt zu erzielen und insbesondere ein Zusammensintern von Brennmaterial durch örtliche Ueberhitzungen zu vermeiden.
Durch die US-A-4,094,629 wurde vorgeschlagen, die Breite des Schachtquerschnittes durch seine ringförmige Ausführung zu verringern und in der somit vorhandenen Innenwand zusätzliche Brennermündungen anzuordnen. Auf diese Weise soll eine gleichmässige Abwärtsbewegung des Brennmaterials unter Schwerkraft aufrechterhalten werden, ohne dass der Materialstrom durch Einbauten im Schacht gestört wird.
Einbauten in Form von balkenförmigen Brennerträgern sind in der GB-A-1111746 beschrieben. Diese haben aufgrund der Aufnahme von z.B. jeweils zwanzig flüssigkeitsgekühlten Brennern einen verhältnismässig breiten Querschnitt und bewirken somit eine erhebliche Verringerung des nutzbaren Ofenquerschnittes, verbunden mit der Gefahr einer örtlichen Blockierung der Schwerkraftförderung des Brennmaterials.
Eine zusammenfassende Darlegung verschiedener Brennverfahren, einschliesslich des zuvorgenannten Brennens in Regenerativ-Mehrschachtöfen findet sich in dem Handbuch "Chemistry and Technology of Lime and Limestone" von Robert S. Bynton, Second Edition, 1987.
US-A-3 355 158 beschreibt einen Brennschachtofen, über dessen Querschnitt verteilt Brenner angeordnet sind, die an der Schachtwand quer hierzu einstellbar befastigt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, durch das insbesondere kleinkörniges Brennmaterial mit verschiedenen Brenngraden bis hin zum Totbrand auf wirtschaftliche Weise in Schachtöfen zu einem qualitativ hochwertigen Produkt gebrannt werden kann.
Zu Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennlanzen zur Auswahl der Position ihrer Mündungen wahrend des Ofenbetriebes senkrecht zur Schachtwand derart verschoben werden, dass die sich an den Brennlanzen ausbildenden Einzelflammen gemeinsam einen Flammbereich bilden, der sich mindestens angenähert über den gesamten Schachtquerschnitt erstreckt; zum Brennen wird ein Material ausgewählt, dessen Komgröße im Bereich von 5 bis 70 mm liegt.
Da jede Brennerlanze vorzugsweise nur zur Erzeugung von jeweils einer Flamme vorgesehen ist, hat sie im Vergleich zu zahlreiche Brenner aufweisenden Brennerträgern einen geringen Querschnitt und führt daher nur zu einer unerheblichen Beeinflussung des Brennmaterialstromes. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Brennlanzen dennoch eine ausreichende Biegefestigkeit haben, um den Druck des sie umströmenden körnigen Brennmaterials aufzunehmen.
Durch die Erstreckung jeder Brennlanze senkrecht zur Schachtwand wird verhindert, dass sich zwischen ihr und der Schachtwand ein Spalt bildet, indem sich Brennmaterial anstauen könnte. Die örtliche Einschränkung des Schachtquerschnittes durch die in ihn hineinragenden Brennlanzen lässt sich verringern, indem die Brennlanzen in mehreren Ebenen übereinander und zu denjenigen einer anderen Ebene in Umfangsrichtung versetzt angeordnet werden, so dass die erforderliche Brennstoffmenge auf mehrere Schachtebenen verteilt zugeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:
Fig.1
in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch einen Einschachtofen mit in drei Ebenen übereinander angeordneten, in den Schacht hineinragenden Brennlanzen,
Fig.2
einen Einschachtofen entsprechend Fig.1, jedoch mit im Schacht angeordneten Wärmeaustauschrohren,
Fig.3
einen nicht masstäblichen Radialschnitt durch den Ofen nach Fig.1 oder 2 im Bereich der oberen Ebene der Brennlanzenanordnung,
Fig.4
einen Radialschnitt durch den Ofen nach Fig.1 oder 2 im Bereich der mittleren Ebene der Brennlanzenanordnung,
Fig.5
einen Radialschnitt durch den Ofen nach Fig.1 oder 2 im Bereich der unteren Ebene der Brennlanzenanordnung,
Fig.6
ein Diagramm der radialen Temperaturverteilungen über einen in seiner Breite relativ angegebenen Schachtquerschnitt,
Fig.7 bis 9
Querschnittsdarstellung von an einem Schachtofen montierten Brennlanzen für pulverförmige, flüssige und gasförmige Brennstoffe,
Fig.10
ein Diagramm der vertikalen Temperaturverteilung im Schachtofen nach Fig.1 mit Brennstoffzufuhr für Weichbrand in drei Brennebenen,
Fig.11
ein Diagramm entsprechend nach Fig.10, jedoch in einem Ofen nach Fig.2,
Fig.12
ein Diagramm der vertikalen Temperaturverteilung im Schachtofen nach Fig.1 mit Brennstoffzufuhr für Hartbrand in nur einer Brennebene,
Fig.13
ein Diagramm entsprechend nach Fig.12, jedoch in einem Ofen nach Fig.2,
Fig.14
einen Mehrschachtofen nach dem Regenerativerfahren, mit hängend und quer angeordneten Brennlanzen,
Fig.15
einen Mehrschachtofen nach dem Regenerativerfahren, mit nur quer angeordneten Brennlanzen und
Fig.16
einen Mehrschachtofen nach dem Regenerativerfahren, mit nur quer angeordneten Brennlanzen und mit in den oberen Schachtbereichen angeordneten Wärmeaustauschrohren.
Der in Fig.1 im Längsschnitt dargestellte Einschachtofen 1 ist vertikal ausgerichtet und hat zumindest über den verfahrenstechnisch erheblichen Bereich seiner Länge einen Schachtraum 2 mit gleichbleibendem Querschnitt. Dieser kann verschieden, z.B. kreisrund elliptisch oder vieleckig geformt sein. Im Beispiel entsprechend seinen Querschnittsdarstellungen in Fig.2 bis 4 ist der Querschnitt kreisringförmig, mit einer Aussenwand 3 aus Stahl, die aufgrund der erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen auf ihrer Innenseite mindestens eine gemauerte, feuerfeste Auskleidungsschicht 4 trägt.
Die Höhe des Ofenschachtes 2 ist durch die verfahrensgemäss im Zusammenhang mit der Einstellung der Fördergeschwindigkeit mittels der Austragsvorrichtung 5 zu bestimmenden Verweilzeiten des Brennmaterials bestimmt. Diese Verweilzeiten verteilen sich auf eine obere, sich an den Beschickungsbereich 6 anschliessende Vorwärmzone 7, auf eine nach unten folgende Brennzone 8 und eine bis zur Austragsvorrichtung 5 verlaufende Kühlzone 9.
Die Zufuhr von gasförmigem, flüssigem oder pulverförmigen Brennstoff, vorzugsweise zusammen mit primärer Verbrennungsluft, erfolgt über zahlreiche, in einer oder mehreren Ebenen 10 bis 12 angeordnete Brennlanzen 13, die sich durch die Schachtwand 3,4 in den Schachtraum 2 hinein erstrecken.
Durch die axiale Verschiebbarkeit der Brennlanzen von Hand im Schüttgut, senkrecht durch die ausgemauerte Schachtwand 3,4 hindurch, lassen sich die Positionen ihrer Mündungen 14 und damit der sich an ihnen jeweils ausbildenden Flammen, systematisch oder aufgrund von Temperaturmessungen mittels im Schachtquerschnitt verteilten Sonden, so anordnen, dass in der betreffenden Schachtebene eine weitgehend gleichmässige Brenntemperatur entsteht. Eine solche gleichmässige Temperaturverteilung ist in dem Diagramm nach Fig.6 durch den geraden Verlauf der mittleren Kurve 15 dargestellt. Im Vergleich hierzu würde sich bei einer Anordnung der Lanzenmündungen 14 bündig zur Innenseite der Schachtwand 3,4 ein zur Schachtmitte hin abnehmender Temperaturverlauf entsprechend der Kurve 16 ergeben und damit ein unterschiedlicher Brenngrad des Produktes. Dabei wären die Temperaturen in der Nähe der Schachtwand zu hoch, mit der Gefahr des Zusammensinterns und in der Schachtmitte zu niedrig und unterhalb der durch die Kurve 17 angegebenen minimalen Brenntemperatur. Die auf der Abzisse des Diagramms ablesbaren Radialpositionen sind nur relativ und nicht auf einen bestimmten Schachtdurchmesser bezogen. Der Schachtdurchmesser kann jedoch einem Radius von 1 entsprechen, obwohl auch grössere Schachtabmessungen realisiert werden können, z.B. mit einem Durchmesser von drei oder mehr Metern.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Brennraum 8 sind zumindest die für eine weit in den Schacht 2 hineinragende Anordnung vorgesehenen Brennlanzen 13 mit einem das Brennrohr 18 umschliessenden Kühlmantel 19 versehen, der Anschlussstutzen 20,21 für die Hindurchleitung einer Kühlflüssigkeit aufweist. An Brennlanzen 13, an denen eine geringere Temperaturbelastung zu erwarten ist, kann anstatt eines Kühlmantels für den betreffenden Lanzenbereich ein hitzebeständiges Material verwendet werden. Auf diese Weise wird die über ein Kühlmedium abgeführte Wärmemenge verringert.
Das Brennrohr 18 hat einen Anschlussstutzen 22 für die Zuleitung primärer Verbrennungsluft. Ausserdem ist am hinteren Ende der Brennlanze 13 ein gleichachsig mit diesem verlaufendes Brennstoffrohr 23,24 oder 25 eingesetzt, das je nach der Art des zu verwendenden Brennstoffes unterschiedlich ausgeführt ist. Für pulverförmigen Brennstoff hat das Brennstoffrohr die Form eines kurzen Sutzens 23 entsprechend Fig.7. Für flüssigen und gasförmigen Brennstoff erstreckt sich das Brennstoffrohr 24 oder 25 bis kurz vor die Mündung 14 der Brennlanze 13, um sich dort mit der im umschliessenden Ringkanal 26 zuströmenden primären Verbrennungsluft zu vermischen.
Eine gegen den Überdruck im Ofen dichte, aber verschiebbare Hindurchführung der Brennlanzen 13 durch die Schachtwand 3,4 hindurch ist jeweils durch eine sich an eine Wandbohrung 27 nach aussen anschliessende stopfbuchsartige Dichtanordnung 28 gewährleistet.
Die Fig.3 bis 5 veranschaulichen eine unterschiedliche Winkelanordnung der in drei Ebenen angeordneten Brennlanzen 13, so dass die Brennlanzen 13 zu denjenigen einer anderen Ebene winkelversetzt sind. Durch die ausserdem unterschiedlichen, in den Darstellungen beispielhaft angegebenen Einschubpositionen der Brennlanzen 13 der verschiedenen Brennebenen 10, 11 und 12 ist auch bei kleiner Flammenausbildung eine besonders weitgehende Abdeckung des Schachtquerschnittes durch die sich an jeder der Mündungen 14 ausbildenden Flammen gegeben. Die Grösse dieser Flammen ist durch mehrere Faktoren bestimmt, d.h. die Menge des Brennstoffs, die Menge der primären und sekundären Verbrennungsluft sowie die Korngrösse des Brennmaterials. Eine geringe Korngrösse führt zu einer dichteren Schüttgutpackung und damit zu einer geringeren Ausbreitung der Flamme. Andererseits hat die Begrenzung der Korngrösse auf einen Bereich mit vorzugsweise weniger als 70 mm Korngrösse den Vorteil einer geringeren mechanischen Belastung der in das fliessende Schüttgut quer hineinragenden Brennlanzen 13 sowie den Vorteil einer kleiner einstellbaren Verweilzeit, so dass ein Zusammensintern von Brennmaterial durch eine kurze Verweilzeit verhindert werden kann. Für einen gleichmässigen Brenngrad sollte die Korngrössenverteilung in einem möglichst kleinen Bereich liegen.
Falls das Verfahren mit einer Korngrösse des Brennmaterials durchgeführt werden soll, die in einem Bereich wesentlich oberhalb einer maximalen Korngrösse von 70 mm liegt, so können besondere Massnahmen getroffen werden, die eine Ueberlastung der weit in den Schacht 2 hineinragenden Brennlanzen 13 verhindern. Beispielsweise kann die betreffende Brennlanze nach Art eines Wiegebalkens gehalten sein, mit einer Kraftmessstelle ausserhalb der Schachtwand 3 und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen, die bei Überschreitung einer zulässigen Kraft selbsstätig eingeschaltet wird. Auf diese Weise lässt sich die Brennlanze freirütteln, wenn sich auf ihr ein Materialstau bilden sollte. Ein Rütteln der Brennlanze kann auch ihr Einschieben in den gefüllten Schachtraum 2 erleichtern.
Die Brennstoffzufuhr in den einzelnen Brennebenen 10,11 und 12 kann einzeln bis auf Null geregelt werden, um in Abhängigkeit vom gewünschten Brenngrad bzw. der Verweilzeit in einem bestimmten Temperaturbereich einen bestimmten Temperaturverlauf in Schachtlängsrichtung bzw. in Strömungsrichtung der von unten zuströmenden Luft zu erhalten.
Diese Luft wird im Bereich der z.B. als Schubtisch ausgeführten Austragsvorrichtung 5 mit Überdruck durch mindestens ein nicht dargestelltes Gebläse zugeführt, so dass sie im Gegenstrom zu der sich durch Schwerkraft abwärtsbewegenden Schüttgutsäule durch deren Kornstruktur hindurch nach oben strömt. Dabei dient sie zuerst in der Kühlzone 9 als Kühlluft, anschliessend in der Brennzone 8 als z.B sekundäre Verbrennungsluft und zuletzt, in der oberen Vorwärmzone 7 des Ofens zum Vorwärmen des Brenngutes und dabei, entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, zum Vorwärmen der zu den Brennlanzen 13 strömenden, primären Verbrennungsluft in dort hängend angeordneten Wärmeaustauschrohren 29.
Die erfindungswesentliche Anordnung der Brennlanzen 13 bzw. von deren Mündungen 14, verteilt auf den Schachtquerschnitt, ermöglicht neue Arten der Verfahrensführung, mit besonders hohen Flammentemperaturen im Bereich von 1800°C bei kurzer Verweilzeit, ohne dass ein bei solchen Temperaturen an sich zu erwartendes Zusammensintern d.h. das Ausbilden von Blökken auftritt, so dass ein bisher nicht möglich gewesenes Hartbrennen im Vertikalschachtofen mit gasförmigen, flüssigen und pulverförmigen Brennstoffen möglich ist.
Die Diagramme der Fig. 10 bis 13 zeigen für eine bestimmte Verweilzeit die sich aufgrund der Steuerung der Brennstoffzufuhr in Verbindung mit angepasster primärer Luftzufuhr über die Brennlanzen 13 und im Gegenstrom zugeführter sekundärer Verbrennungsluft realisierbaren Temperaturverläufe für das Brennmaterial Kalk (CaCO3), bezogen auf den Längsschnitt des Schachtofens. Dabei ist die Temperatur des Brennmaterials durch eine durchgezogene Linie 30 dargestellt, während die Temperatur des sich durch die Verbrennung bildenden Brenngases und der Kühl- bzw. Sekundärverbrennungsluft der gestrichelten Linie 31 entspricht.
Für die Herstellung von Weichbrand nach Fig.10 und Fig.11 erfolgt die Brennstoffzufuhr abgestuft über die in den drei Brennebenen 10 bis 12 angeordneten Brennlanzen 13 in wesentlich geringerer Menge als für Hartbrand, so dass sich Flammentemperaturen entsprechend den drei Temperaturspitzen 32 bis 34 ausbilden. die bei ca. 1200° C in der ersten Brennebene und bei ca. 1400° C in der dritten Brennebene liegen. Das von oben nach unten strömende Brennmaterial gelangt somit in der ersten Brennebene 30 zuerst in Kontakt mit Brenngas von 1200° Celsius und in den anschliessenden Brennebenen mit heisserem Brenngas von maximal ca. 1400° C. Durch das im Gegenstrom nach oben strömende Brenngas wurde das körnige Brennmaterial bei Erreichen der ersten Brennebene bereits auf ca. 1000° C vorgewärmt, und es erreicht in der dritten Brennebene eine Temperatur von ca. 1200° C. Durch die auf drei Brennebenen 10,11,12 verteilte Zufuhr der erforderlichen Brennstoffmenge hat die Brennzone 8 eine entsprechend lange Erstreckung in Schachtrichtung mit entsprechend grosser Verweilzeit des Brennmaterials in der Brennzone 8.
Das in Schachtöfen mit Ausnahme von Mischfeueröfen bisher nicht möglich gewesene Hartbrennen von Kalk erfolgt entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig.12 mit Brennstoffzufuhr und Zufuhr von primärer Verbrennungsluft in nur einer Ebene 12 und bei einer Flammtemperatur von etwa 1800° C. Das Brennmaterial hat eine Korngrösse im Bereich von 5 bis 70 mm. Die sich ergebende hohe Brenntemperatur von ca. 1400° C bewirkt überraschenderweise kein Zusammensintern von Körnern des Brennmaterials mit Klumpen und Brückenbildung. Dies erklärt sich durch eine kurze Verweilzeit bei höchsten Temperaturen, entsprechend dem spitzen Verlauf der Temperaturkurve 31 für das Brennmaterial in Diagramm nach Fig.12. Dieser Temperaturverlauf ergibt sich durch die fehlende Zuschaltung zusätzlicher Brennebenen und der entsprechend kürzeren Erstreckung der Brennzone 8 in Schachtrichtung.
Bei der Ausführung des Einschachtofens 1 entsprechend der Darstellung in Fig.1 verlassen die in der Vorwärmzone 7 sich abkühlenden Brenngase den Ofen bei ca. 330° C, so dass entsprechend hohe Wärmeverluste auftreten. Eine Rekuperation in nachgeschalteten Wärmetauschern würde aufgrund des hohen Staubanteils im Abgasstrom zur baldigen Ausbildung von die Wärmeübertragung behindernden Ablagerungen führen. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird ein Teil der in den Brenngasen enthaltenen Wärmeenergie für die Aufheizung von primärer Verbrennungsluft ausgenutzt, die den Brennlanzen 13 über eine Leitung 39 zugeführt wird. Diese Aufheizung erfolgt innerhalb des Ofens 1', indem die Verbrennungsluft durch Wärmeaustauschrohre 36 geführt wird, die mit einem Zu- und Rückleitungsteil 37,38 vertikal hängend und in Umfangsrichtung des Schachtes 2 oder gleichmässig auf den Schachtquerschnitt verteilt, in das Brennmaterial der Vorwärmzone 7 eintauchen. Die Anordnung der Wärmeaustauschrohre 36 im Ofen 1' in direktem Kontakt mit dem Brenngut und den Brenngasen führt zu einer besonders guten Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Ausserdem werden die Wärmeaustauschflächen der Rohre 36 durch das unter Schwerkrafteinfluss an ihnen entlangströmende Brennmaterial selbsttätig gereinigt. Die somit mögliche Einsparung an Wärmeenergie beträgt gegenüber einem Ofen ohne Vorwärmung von primärer Verbrennungsluft ca. 7 bis 10 %, bei einer Abgastemperatur von ca. 190° C anstatt von ca. 330° C.
Die Fig.11 und 13 veranschaulichen den sich aufgrund des zusätzlichen Wärmeaustausches in den Rohren 36 ergebenden andersartigen Temperaturverlauf in Schachtrichtung.
Die Doppelschachtöfen 40, 40' und 40" der Ausführungsbeispiele der Erfindung nach Fig.14 bis Fig.16 werden wie die bekannten MAERZ-Oefen nach dem Regenerativverfahren betrieben. Dies bedeutet, dass beide Schächte 41 und 42 im Übergangsbereich 43 unterhalb der Brennzone 44 miteinander querverbunden sind, dass vom Austragsbereich 45 kontinuierlich Kühlluft im Gegenstrom zugeführt wird und dass ausserdem vom Beschickungsbereich 46 aus Verbrennungsluft im Gleichstrom abwechselnd einem der Schächte 41, 42 zugeführt wird, während gleichzeitig die Ableitung der Abgase aus dem Ofen 40, 40', 40" durch die Vorwärmzone des benachbarten Schachtes 42 bzw. 41 hindurch erfolgt. Die Umschaltung dieser Strömungsverhältnisse im Ofen erfolgt in Zeitintervallen von beispielsweise 10 bis 15 Minuten. Die Darstellungen der Fig.14 bis 16 veranschaulichen durch die Richtungspfeile den Betriebszustand, bei dem Verbrennungsluft dem Schacht 41 über die Leitung 47 zugeführt und das Abgas vom anderen Schacht 42 über die Leitung 48 abgeleitet wird. Nach demselben Umschaltprinzip können auch mehr als zwei zueinander parallele Schächte 41,42 mit abwechselndem Betriebszustand betrieben werden.
Im Unterschied zu dem als MAERZ-Ofen bekannten Gleichstrom Regenerativ-Ofen, bei dem Brennstoff entsprechend den Betriebsintervallen abwechselnd nur dem einen oder anderen der Schächte im Gleichstrom mit dem Brenngut zugeführt wird, erfolgt die Brennstoffzufuhr gleichzeitig zu beiden Schächten 41,42, so dass in einem der Schächte die Brenngase Gleichstrom zum Brennmaterial und im anderen Schacht im Gegenstrom gerichtet sind. Die Gesamthaft erforderliche Brennstoffzufuhr wird somit auf die Brennlanzenanordnungen beider Schächte 41, 42 verteilt. Im Unterschied zum Gleichstrombrennbetrieb in einem Schacht 41 oder 42, erfolgt somit im anderen Schacht 42 oder 41 das Brennen mit in der Kühlzone 49 vorgewärmter Verbrennungsluft, mit folglich verringerter Abgasmenge und entsprechend verbesserter Energiebilanz. Gegen über dem bekannten Gleichstrom-Regenerativofen nach System MAERZ kann beim Brennen von Kalkstein die Verringerung der Abgasmenge 25 % betragen. Dadurch steigt die Konzentration des Kohlendioxids, so dass das Abgas vorteilhaft für chemische Verfahren eingesetzt werden kann, die ein Gas mit hohen Kohlendioxidgehalt benötigen.
Beim Doppelschachtofen nach Fig.14 sind zusätzlich zu von oben in das Brennmaterial 50 eintauchenden Brennlanzen 51 in der Nähe des Übergangsbereiches 43 quer in das Brennmaterial 50 eingeschobene Brennlanzen 52 vorgesehen. Nach Umschaltung des Brennbetriebes werden somit im selben Schacht anstatt der hängenden Brennlanzen 51 die quereingeschobenen Brennlanzen 52 in Betrieb genommen werden, bei gleichzeitiger, umgekehrter Umschaltung der Brenner 52,51 im anderen Schacht. Die Richtung der Flammentwicklung an den Düsenmündungen der Brennlanzen 51,52 in Schachtrichtung ist durch die Abbildungen der Flammen 53 und 54 ersichtlich. Durch diese Darstellungen ist auch ersichtlich, dass die quer gerichteten Brennlanzen 52 des Schachtes 41 während des Betriebs der in diesem Schacht 41 hängenden Brennlanzen 51 abgeschaltet sind, während im anderen Schacht 42 die Brennlanzen 52 zugeschaltet sind.
Am Doppelschachtofen nach Fig.15 sind in beiden Schächten. 41,42 nur quer angeordneten Brennlanzen 55 vorgesehen. Der Doppelschachtofen nach Fig.16 hat demgegenüber zusätzlich im Vorwärmbereich 56 hängend angeordnete Wärmeaustauschrohre 58 zur Aufheizung von primärer Verbrennungsluft, wie zuvor zum Einschachtofen nach Fig.2 beschrieben worden ist.
Durch die gleichzeitige Zuführung von Brennstoff im zweiten Schacht im Gegenstrom durch in das Brennmaterial eingeschobene Brennlanzen 52,55 ist das an sich bekannte Regnerativverfahren bei gutem thermischen Wirkungsgrad auch für die Herstellung von Mittel- und Hartbrand vorteilhaft geeignet.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Brennen von karbonathaltigem Material in einem Schachtofen (1), mit Schwerkraftförderung durch eine Vorwärmzone (7), mindestens eine Brennzone (8) und eine Kühlzone (9) zu einer Austragsvorrichtung (5), wobei eine Brennstoffzufuhr in der Brennzone (8) oder angrenzend an diese über mehrere durch die Schachtwand (3, 4) geführte Brennlanzen (13) erfolgt und Verbrennungsluft als Kühlluft unter Überdruck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennlanzen (13) zur Auswahl der Position ihrer Mündungen (14) während des Ofenbetriebs senkrecht zur Schachtwand (3, 4) derart verschoben werden, dass die sich an den Brennlanzen (13) ausbildenden Einzelflammen gemeinsam einen Flammbereich bilden, der sich mindestens angenähert über den gesamten Schachtquerschnitt erstreckt, wobei zum Brennen ein Brennmaterial ausgewählt wird, dessen Korngrösse im Bereich von 5 bis 70 mm liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr über mehrere übereinander vorgesehene Gruppen von jeweils in mindestens angenähert gleicher Ebenen (10-12) angeordnete Brennlanzen (13) erfolgt und in Abhängigkeit vom gewünschten Brenngrad in der Brennzone ein in Ofenlängsrichtung verlaufendes Temperaturprofil durch Verändern der Brennstoffzufuhr zu einer oder mehreren der einzelnen Lanzengruppen eingeregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung über den Schachtquerschnitt durch Verschieben der Lanzen (13) in Abhängigkeit von durch Messsonden ermittelten Temperaturwerten eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichmässigen, gemeinsamen Abdeckung des Schachtquerschnittes durch einzelne, übereinander vorgesehene Flammbereiche die Verschieberichtung von übereinander angeordneten Brennlanzen (13) in Umfangsrichtung des Schachtes zueinander versetzt verläuft.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Brennlanzen, zusätzlich zu Brennstoff Verbrennungsluft zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Brennlanzen (13) zuzuführende Verbrennungsluft innerhalb der Vorwärmzone (7) erwärmt wird, indem sie durch Wärmetauscherrohre (36) geführt wird, die parallel zur Schachtwand (3, 4) und auf den Ofenquerschnitt verteilt im Vorwärmbereich (7) des Ofens hängend angeordnet sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Brennen in einem Mehrschachtofen (40) nach dem Regenerativverfahren durch zeitlich zwischen den Schächten (41, 42) abwechselnder Zufuhr von Verbrennungsluft im Gleichstrom, und mit kontinuierlicher Gegenstromzufuhr von Kühlluft im unteren Bereich der Schächte (41, 42), dadurch gekennzeichnet, dass während der Brennstoffzufuhr im Gleichstrombetrieb in einem der Schächte (41, 42), in einem oder mehreren anderen, mit ersterem quer verbundenen Schächten (42, 41), Brennstoff mit oder ohne Verbrennungsluft über in der Brennzone (44) angeordnete, quer zur Ofenwand verschiebbare Brennlanzen (52, 55) zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr während jeweils einer der Betriebsperioden des Regenerativverfahrens in einem der Schächte (41, 42) im Gleichstrom über hängend angeordnete Brennlanzen (51) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Einschubtiefe der Brennlanzen (51, 52, 55) bis nahe an das Zentrum des Schachtquerschnittes reicht, so dass die zugehörige Flamme (53, 54) das Zentrum erreicht, wobei die lichte Weite des Schachtraumes auf 3 m begrenzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die am weitesten in den Schachtraum hineinragenden Brennlanzen (51, 52, 55) durch ein Kühlmittel durchströmt werden.
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