EP4065889A1 - Heizwert- und volumentromgesteuerte verbrennung des co in sekundärmetallurischem abgas - Google Patents

Heizwert- und volumentromgesteuerte verbrennung des co in sekundärmetallurischem abgas

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EP4065889A1
EP4065889A1 EP20812007.1A EP20812007A EP4065889A1 EP 4065889 A1 EP4065889 A1 EP 4065889A1 EP 20812007 A EP20812007 A EP 20812007A EP 4065889 A1 EP4065889 A1 EP 4065889A1
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EP
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gas
exhaust gas
exhaust
combustion
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Frank Dorstewitz
Andreas Kemminger
Helmut Biehl
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    • F23N2221/00—Pretreatment or prehandling
    • F23N2221/10—Analysing fuel properties, e.g. density, calorific

Definitions

  • the invention relates to a method for the afterburning of carbon monoxide-containing exhaust gases from metallurgical processes with discontinuously occurring exhaust gas volumes, the composition and / or quantity of which changes during a period within which exhaust gas is produced.
  • metallurgical processes can be, for example, secondary metallurgical processes in which a metal melt is degassed or decarburized.
  • Flare gases In the case of petrochemical and metallurgical processes, it is generally known to burn exhaust gases with so-called flares. Flare gases often have different qualities. To ensure that the torch burns continuously, the gas must have a minimum content of combustible components. If this is not the case, natural gas may be added as fuel gas. To
  • Calorimeters are commonly used to determine the calorific value of the flare gas. These include a measuring cell in which a measuring gas is burned. If the measurement gas is successfully ignited, the amount of energy emitted during combustion or the calorific value of the gas is determined and, if necessary, natural gas is added to the flare gas.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for the post-combustion of exhaust gases containing carbon monoxide from metallurgical processes with discontinuously occurring exhaust gas volumes and exhaust gas compositions, which enables reliable post-combustion of the exhaust gas with less environmental pollution.
  • One aspect of the invention relates to a method for the post-combustion of exhaust gases containing carbon monoxide from metallurgical processes with discontinuously occurring exhaust gas volumes, the composition of which changes during a period within which exhaust gas occurs, the method comprising conditioning the exhaust gas prior to post-combustion in such a way that the Exhaust gas upstream of the post-combustion at least one fuel gas and / or a further additional gas is added in a regulated manner, the regulation taking place as a function of the composition of the exhaust gas and / or as a function of the exhaust gas volume flow
  • the afterburning of the exhaust gas is preferably carried out with an open flame in the region of the opening of an exhaust gas duct into the atmosphere.
  • the exhaust gas can be post-burned in a combustion chamber provided for this purpose.
  • both the calorific value of the exhaust gas and the exhaust gas volume flow are regulated so that, on the one hand, combustion is as complete as possible and, on the other hand, it is ensured that the exhaust gas volume flow is set so that a flow rate of the exhaust gas in the relevant Adjusts cross-section which is smaller than a flame propagation speed of the exhaust gas, so that backfire of the exhaust gas in an exhaust gas duct is excluded.
  • the exhaust gas composition and the exhaust gas volume flow are mutually dependent, in particular if an inert gas is added as an additional gas. Appropriately, nitrogen is added to the exhaust gas as an additional gas in order to increase the exhaust gas volume flow.
  • a calorific value of the exhaust gas is determined indirectly via the carbon monoxide content of the exhaust gas using at least one device for gas analysis. For secondary metallurgical processes, results from a gas analysis that is required anyway can be used for this purpose.
  • the regulation takes place as a function of the carbon monoxide content of the exhaust gas, with the regulation objective of the greatest possible conversion of carbon monoxide to carbon dioxide, so that essentially stoichiometric afterburning is ensured.
  • the regulation is carried out in such a way that the calorific value of the exhaust gas does not fall below> 2kWh / Nm 3 (> 200 BTU / scf). It has surprisingly been found that with such a calorific value an afterburning of the carbon monoxide of over 97% is possible.
  • the regulation can be carried out so that the exhaust gas volume flow does not fall below a given minimum volume flow.
  • the minimum volume flow of the exhaust gas is expediently determined as a function of the flow velocity of the exhaust gas in a given flow cross section so that the flow velocity is less than a flame propagation velocity of the exhaust gas during combustion.
  • Typical flame propagation velocities are on the order of about 0.2 to 0.5 m / s.
  • the afterburning is preferably carried out by means of at least one supporting gas torch arranged in or on a chimney.
  • the addition of fuel gas and / or additional gas or inert gas is expediently carried out via separate feed lines with valves which can be regulated by volume flow and which are controlled, for example, by means of a software controller.
  • a controller can be implemented, for example, by means of a programmable logic controller.
  • the invention further relates to a method for exhaust gas aftertreatment during a vacuum treatment of liquid steel in a secondary metallurgical process comprising the post-combustion of the exhaust gas from the vacuum treatment of a molten metal by means of at least one torch in or on an exhaust gas duct of a vacuum pump, the process conditioning the exhaust gas before post-combustion comprises, in such a way that at least one fuel gas and / or an additional gas is added in a regulated manner to the exhaust gas upstream of the afterburning, the regulation taking place as a function of the composition of the exhaust gas and as a function of the exhaust gas volume flow.
  • the vacuum treatment of liquid steel is usually a batch process in which the exhaust gas aftertreatment according to the invention is particularly useful and expedient.
  • the exhaust gas aftertreatment according to the invention preferably takes place in secondary metallurgical processes such as VD, VD-OB, RH, RH-TOP, RH-OB, VacAOD, VODC or VOD processes.
  • the afterburning is carried out periodically only during the decarburization phase of the molten metal. If the CO content of the exhaust gas falls below a predetermined minimum value, which is significantly below the value that would justify an increase in the calorific value with fuel gas, there is preferably no afterburning. This is due to the fact that during the degassing of a melt, which in and of itself already represents a discontinuous process, exhaust gas containing carbon monoxide is only produced during a certain period of time. Post-combustion is only useful and necessary during this period.
  • the invention further relates to an afterburning device for afterburning exhaust gas during a vacuum treatment of liquid steel in a secondary metallurgical process, comprising at least one flare on an exhaust pipe of an exhaust gas duct of a vacuum pump of a secondary metallurgical plant, means for supplying fuel gas to the flare, means for feeding an inert gas in the exhaust gas duct of the vacuum pump upstream of the flare, means for determining the exhaust gas volume flow and / or for measuring the exhaust gas velocity within the exhaust gas duct, means for analyzing the exhaust gas composition, means for metering the fuel gas and the inert gas as well as means for regulating the metering of the fuel gas and / or of the inert gas as a function of the exhaust gas composition.
  • volume flow controllable valves can be provided which are each arranged in feed lines for fuel gas and for natural gas which are connected to the exhaust gas duct.
  • At least one control device is provided as the means for metering fuel gas and / or inert gas, the input variables of which are the exhaust gas composition, the exhaust gas volume flow, the amount of fuel gas supplied and the amount of inert gas supplied.
  • the regulating device comprises at least one programmable controller. Furthermore, the control device can control an auxiliary burner of the flare in such a way that the flare is only operated when exhaust gas containing CO is produced.
  • FIG. 1 a schematic representation of the afterburning device according to the invention on a secondary metallurgical device
  • FIG. 2 is a control scheme of the method according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of the controller, which in the
  • Figure 4 is a representation of the exhaust gas composition
  • Post-combustion device 1 which comprises a flare 2 with a supporting burner 3, which is connected to the exhaust 4 of an exhaust gas duct 5 of a vacuum pump, not shown, of a metallurgical plant.
  • the metallurgical plant can for example comprise a pouring ladle and devices for degassing the metal melt contained in the pouring ladle.
  • the metal melt can be degassed, for example, using a partial degassing process, such as the Ruhrstahl-Fleraeus process, in which a vacuum vessel is immersed in the melt for degassing, with vacuum pumps designed as steam jet pumps in the vacuum vessel Negative pressure for degassing the melt is generated.
  • Multi-stage vacuum pumps which are connected to an exhaust gas duct 5, are usually used for this purpose.
  • the term vacuum pump is predominantly used in the present application in the singular. In the context of the invention, however, this also includes an arrangement of vacuum pumps or a pump with a large number of pump stages.
  • the auxiliary burner 3 of the torch 2 can be switched on and off or ignited and extinguished via a control device 6.
  • the exhaust gas duct 5 is connected upstream of the flare 2 to an extinguishing line 7, a feed line 8 for fuel gas and a feed line 9 for nitrogen. Via the extinguishing line 7, nitrogen can be supplied as an extinguishing agent from an extinguishing agent tank 10 to the exhaust gas duct 5.
  • a flow measuring device 11 for determining the exhaust gas volume flow is arranged upstream of the mouth of the feed line 8 for fuel gas in the exhaust gas duct 5 and downstream of the mouth of the feed line 9 for nitrogen.
  • Feed lines 9 into the exhaust gas duct are also provided with a gas analysis device 12 with which the exhaust gas composition is preferably continuously determined.
  • a gas analysis device 12 with which the exhaust gas composition is preferably continuously determined.
  • the supply of fuel gas and nitrogen as inert gas into the exhaust gas duct 5 is controlled by means of a
  • Control device 21 the control scheme of which is explained below with reference to the illustration in FIG.
  • the control scheme shown in Figure 2 comprises two interdependent control loops 15, 16, with a first control loop 15 as a reference variable regulating the value of the exhaust gas determined on the basis of the gas composition, and the second control loop 16 shown below in Figure 2 as a reference variable regulates the exhaust gas volume flow.
  • the Fleizwert of the exhaust gas is determined on the basis of the measured values from the gas analysis device 12 via the CO component.
  • the gas analysis device 12 supplies, among other things, the oxygen content and the carbon monoxide content of the exhaust gas.
  • the CO content or carbon monoxide content of the exhaust gas determines its Fleizwert.
  • the value of the exhaust gas also depends on the nitrogen content of the exhaust gas.
  • the exhaust gas volume flow must not fall below a certain minimum value in order to ensure a sufficient gas velocity and thus prevent possible flashback in the exhaust gas duct.
  • a corresponding amount of inert gas or nitrogen is fed to the exhaust gas duct, which in turn has an effect on the value of the exhaust gas.
  • the fuel value of the exhaust gas should not fall below a specified minimum value, for example in the order of magnitude of> 2kWh / Nm 3 (200 BTU / scf). This value corresponds to a stoichiometrically complete combustion of the CO
  • the first control circuit 15 comprises a first control device 17 for the fuel gas supply, which the volume flow controllable valve 13 in the feed line 8 for fuel gas acts on.
  • the reference variable for the Fleizwert is specified via a Fleizwert calculator 18, which uses the actual Fleizwert, the exhaust gas volume flow, the exhaust gas composition and the actual nitrogen volume flow from the second control loop 16 as input variables.
  • the second control circuit 16 comprises a second control device 19 for the addition of nitrogen, which acts on the valve 14, which can be regulated with respect to the volume flow.
  • the second control circuit 16 also includes a volume flow computer 20, which is used as Input variables the actually supplied nitrogen volume flow and the fuel gas volume flow are used.
  • the volume flow computer 20 specifies the reference variable for the minimum exhaust gas volume flow and, in parallel, supplies this value to the calorific value computer 18.
  • FIG. 4 illustrates the exhaust gas composition and the exhaust gas quantity during a typical degassing process of a secondary metallurgical treatment of a steel melt, the pressure prevailing during the decarburization, the exhaust gas quantity, the inert gas quantity, the natural gas quantity and the CO content of the exhaust gas being plotted over time.
  • the pressure drop (vacuum / thin solid line) at the beginning of the degassing process and the pressure increase at the end of the degassing process can be recognized without further ado. This is accompanied by an initially high and then decreasing CO formation.
  • the dotted line illustrates the calorific value of the exhaust gas supported by the addition of natural gas (CH4), while the bold solid curve illustrates the addition of nitrogen.
  • Control device 7 Extinguishing line 8 Feed line for fuel gas

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachverbrennung von kohlenmonoxidhaltigen Abgasen aus metallurgischen Prozessen mit diskontinuierlich anfallenden Abgasvolumina, deren Zusammensetzung und/oder Menge sich während einer Periode, innerhalb welcher Abgas anfällt, verändert, wobei das Verfahren eine Konditionierung des Abgases vor der Nachverbrennung umfasst, derart, dass dem Abgas stromaufwärts der Nachverbrennung wenigstens ein Brenngas und/oder ein Zusatzgas geregelt zugegeben wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Abgases und in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Nachverbrennungseinrichtung zur Nachverbrennung von Abgas während einer Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl bei einem sekundärmetallurgischen Prozess, umfassend wenigstens eine Fackel (2) an einem Auspuff (4) eines Abgaskanals (5) einer Vakuumpumpe einer sekundärmetallurgischen Anlage, Mittel zur Zuführung von Brenngas an die Fackel (2), Mittel zur Einspeisung eines Inertgases in den Abgaskanal der Vakuumpumpe stromaufwärts der Fackel (2), Mittel zur Ermittlung des Abgasvolumenstroms und/oder zur Messung der Abgasgeschwindigkeit innerhalb des Abgaskanals (5), Mittel zur Analyse der Abgaszusammensetzung, Mittel zur Dosierung des Brenngases und des Inertgases sowie Mittel zur Regelung der Dosierung des Brenngases und/oder des Inertgases in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung.

Description

HEIZWERT- UND VOLUMENTROMGESTEUERTE VERBRENNUNG DES CO IN SEkUNDÄRMETALLURISCHEM ABGAS Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachverbrennung von kohlenmonoxidhaltigen Abgasen aus metallurgischen Prozessen mit diskontinuierlich anfallenden Abgasvolumina, deren Zusammensetzung und/oder Menge sich während einer Periode, innerhalb welcher Abgas anfällt, verändert. Solche metallurgischen Prozesse können beispielsweise sekundärmetallurgische Prozesse sein, bei denen eine Metallschmelze entgast oder entkohlt wird.
Bei vielen metallurgischen Prozessen fallen Abgase mit niedrigem Heizwert und chemischen Bestandteilen wie z.B. Kohlenmonoxid an, die nicht ohne Nachverbrennung in die Atmosphäre abgegeben werden sollten.
Bei petrochemischen und metallurgischen Prozessen ist es grundsätzlich bekannt, Abgase mit sogenannten Fackeln zu verbrennen. Fackelgase weisen häufig unterschiedliche Qualitäten auf. Um sicherzustellen, dass die Fackel stetig brennt, muss das Gas einen Mindestgehalt an brennbaren Anteilen aufweisen. Ist dies nicht der Fall, wird gegebenenfalls Erdgas als Brenngas zugemischt. Zur
Bestimmung des Heizwerts des Fackelgases werden üblicherweise Kalorimeter verwendet. Diese umfassen eine Messzelle, in der ein Messgas verbrannt wird. Bei einer erfolgreichen Zündung des Messgases wird die bei der Verbrennung abgegebene Energiemenge bzw. der Heizwert des Gases bestimmt und gegebenenfalls wird dem Fackelgas Erdgas zugemischt.
Bei einem in der WO 2016/123666 beschriebenen metallurgischen Schmelzverfahren wird kohlenstoffhaltiges Material einem Schmelzbad von Metall und Schlacke in einem Direktschmelzgefäß zugeführt, wobei heißes Gas aus Öfen einem Gasraum oberhalb des Schmelzebads zwecks Nachverbrennung der Reaktionsgase des Schmelzebads zugeführt wird. Das dabei entstehende Abgas wird mit Brenngas und sauerstoffhaltiger Verbrennungsluft zur Beheizung der Öfen verwendet, wobei die Temperatur des Gasraums in den Öfen durch die Zufuhr des Abgases mit Brenngas und Verbrennungsluft in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts im Abgas der Öfen geregelt wird, wenn das Abgas einen bestimmten Heizwert unterschreitet.
Insbesondere bei sekundärmetallurgischen Prozessen, bei denen die Entgasung einer Metallschmelze vorgesehen ist, fällt infolge der Verringerung des Kohlenstoffanteils der Schmelze ein kohlenmonoxidhaltiges Abgas an, dem zur Nachverbrennung Heizgas in konstanten Mengen zugesetzt wird, um eine sichere Nachverbrennung zu gewährleisten. Diese Vorgehensweise wird allerdings nicht dem Umstand gerecht, dass sich typischerweise bei der Entgasung von Metallschmelzen die Abgaszusammensetzung und der Abgasvolumenstrom im Laufe des Verfahrens ändern. Daher ist es für eine sichere Nachverbrennung des Abgases erforderlich, dem Abgas entsprechende Mengen an Heizgas, typischerweise Erdgas, zuzugeben. Abgesehen davon, dass der erhöhte Brenngasverbrauch erhöhte Kosten verursacht, geht eine solche Vorgehensweise auch mit einem erhöhten Ausstoß an Kohlendioxid einher, was aus Umweltschutzgründen nicht wünschenswert ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nachverbrennung von kohlenmonoxidhaltigen Abgasen aus metallurgischen Prozessen mit diskontinuierlich anfallenden Abgasvolumina und Abgaszusammensetzungen bereitzustellen, das eine sichere Nachverbrennung des Abgases bei einer geringeren Umweltbelastung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachverbrennung von kohlenmonoxidhaltigen Abgasen aus metallurgischen Prozessen mit diskontinuierlich anfallenden Abgasvolumina, deren Zusammensetzung sich während einer Periode, innerhalb welcher Abgas anfällt, verändert, wobei das Verfahren eine Konditionierung des Abgases vor der Nachverbrennung umfasst, derart, dass dem Abgas stromaufwärts der Nachverbrennung wenigstens ein Brenngas und/oder ein weiteres Zusatzgas geregelt zugegeben wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Abgases und/oder in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms erfolgt
Die Nachverbrennung des Abgases erfolgt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise mit einer offenen Flamme im Bereich der Mündung eines Abgaskanals in die Atmosphäre. Alternativ kann die Nachverbrennung des Abgases in einer hierfür vorgesehenen Brennkammer erfolgen.
Die Erfindung kann dahingehend zusammengefasst werden, dass erfindungsgemäß sowohl der Heizwert des Abgases als auch der Abgasvolumenstrom geregelt werden, sodass einerseits eine möglichst vollständige Verbrennung gewährleistet ist und andererseits sichergestellt ist, dass der Abgasvolumenstrom so eingestellt ist, dass sich eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem betreffenden Querschnitt einstellt, die kleiner ist als eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Abgases, sodass eine Rückzündung des Abgases in einen Abgaskanal ausgeschlossen ist. Die Abgaszusammensetzung und der Abgasvolumenstrom bedingen einander, insbesondere wenn als Zusatzgas ein Inertgas zugegeben wird. Zweckmäßigerweise wird dem Abgas als Zusatzgas Stickstoff zugeführt, um den Abgasvolumenstrom zu erhöhen. Dadurch verringert sich der Heizwert des Abgases, wodurch gegebenenfalls die Menge an zugeführtem Brenngas, beispielsweise in Form von Erdgas, erhöht werden muss. Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Heizwert des Abgases mittelbar über den Kohlenmonoxid Gehalt des Abgases unter Verwendung wenigstens einer Einrichtung zur Gasanalyse bestimmt wird. Hierzu können bei sekundärmetallurgischen Prozessen Ergebnisse aus einer ohnehin erforderlichen Gasanalyse herangezogen werden.
Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Regelung in Abhängigkeit des Kohlenmonoxid Gehalts des Abgases erfolgt, mit dem Regelungsziel eines größtmöglichen Umsatzes von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, sodass im Wesentlichen eine stöchiometrische Nachverbrennung gewährleistet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regelung so geführt wird, dass ein Heizwert des Abgases von > 2kWh/Nm3 ( > 200 BTU/scf) nicht unterschritten wird. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass bei einem solchen Heizwert eine Nachverbrennung des Kohlenmonoxids von über 97% möglich ist.
Weiterhin kann erfindungsgemäß die Regelung so geführt werden, dass der Abgasvolumenstrom einen gegebenen Mindestvolumenstrom nicht unterschreitet. Zweckmäßigerweise wird der Mindestvolumenstrom des Abgases in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in einem gegebenen Strömungsquerschnitt so festgelegt, dass die Strömungsgeschwindigkeit kleiner ist als eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Abgases bei der Verbrennung. Typische Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten besitzen eine Größenordnung von etwa 0,2 bis 0,5 m/s.
Vorzugsweise wird die Nachverbrennung mittels wenigstens einer in oder an einem Kamin angeordneten Stützgas-Fackel durchgeführt. Die Zugabe von Brenngas und/oder Zusatzgas bzw. Inertgas erfolgt zweckmäßigerweise über getrennte Speiseleitungen mit Volumenstrom regelbaren Ventilen, welche beispielsweise mittels eines Software-Reglers angesteuert werden. Ein solcher Regler kann beispielsweise mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung realisiert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung während einer Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl bei einem sekundärmetallurgischen Prozess umfassend die Nachverbrennung des Abgases aus der Vakuumbehandlung einer Metallschmelze mittels wenigstens einer Fackel in oder an einem Abgaskanal einer Vakuumpumpe, wobei das Verfahren eine Konditionierung des Abgases vor der Nachverbrennung umfasst, derart, dass dem Abgas stromaufwärts der Nachverbrennung wenigstens ein Brenngas und/oder ein Zusatzgas geregelt zugegeben wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Abgases und in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms erfolgt.
Die Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl ist üblicherweise ein Batch Verfahren, bei dem die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlung besonders sinnvoll und zweckmäßig ist. Die Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung findet vorzugsweise bei sekundärmetallurgischen Prozessen wie zum Beispiel VD, VD-OB, RH, RH-TOP, RH-OB, VacAOD VODC oder VOD Verfahren statt.
Bei einer besonders bevorzugten Variante dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass die Nachverbrennung periodisch nur während der Entkohlungsphase der Metallschmelze durchgeführt wird. Unterschreitet der CO Anteil des Abgases einen vorgegebenen Mindestwert, der deutlich unter dem Wert liegt, der eine Erhöhung des Heizwerts mit Brenngas rechtfertigen würde, erfolgt vorzugsweise keine Nachverbrennung. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass während der Entgasung einer Schmelze, die an und für sich bereits einen diskontinuierlichen Vorgang darstellt, nur während einer bestimmten Zeitspanne kohlenmonoxidhaltiges Abgas anfällt. Eine Nachverbrennung ist nur während dieser Zeitspanne sinnvoll und notwendig.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Nachverbrennungseinrichtung zur Nachverbrennung von Abgas während einer Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl bei einem sekundärmetallurgischen Prozess, umfassend wenigstens eine Fackel an einem Auspuff eines Abgaskanals einer Vakuumpumpe einer sekundärmetallurgischen Anlage, Mittel zur Zuführung von Brenngas an die Fackel, Mittel zur Einspeisung eines Inertgases in den Abgaskanal der Vakuumpumpe stromaufwärts der Fackel, Mittel zur Ermittlung des Abgasvolumenstroms und/oder zur Messung der Abgasgeschwindigkeit innerhalb des Abgaskanals, Mittel zur Analyse der Abgaszusammensetzung, Mittel zur Dosierung des Brenngases und des Inertgases sowie Mittel zur Regelung der Dosierung des Brenngases und/oder des Inertgases in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung.
Als Mittel zur Dosierung des Brenngases und des Inertgases können Volumenstrom regelbare Ventile vorgesehen sein, die jeweils in Speiseleitungen für Brenngas und für Erdgas angeordnet sind welche an den Abgaskanal angeschlossen sind.
Vorzugsweise ist als Mittel zur Dosierung von Brenngas und/oder Inertgas wenigstens eine Regeleinrichtung vorgesehen, deren Eingangsgrößen die Abgaszusammensetzung, der Abgasvolumenstrom, die Menge an zugeführtem Brenngas und die Menge an zugeführtem Inertgas sind.
Bei einer bevorzugten Variante der Nachverbrennungseinrichtung ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung wenigstens eine speicherprogrammierbare Steuerung umfasst. Weiterhin kann die Regeleinrichtung einen Stützbrenner der Fackel steuern, derart, dass ein Betrieb der Fackel nur dann vorgesehen ist, wenn CO haltiges Abgas anfällt. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung der Nachverbrennungseinrichtung gemäß der Erfindung an einer sekundärmetallurgischen Einrichtung,
Figur 2 ein Regelschema des Verfahrens gemäß der Erfindung, Figur 3 eine schematische Darstellung des Reglers, welcher bei dem
Regelverfahren gemäß der Erfindung Anwendung findet und
Figur 4 eine Darstellung die die Abgaszusammensetzung und die
Abgasmenge während eines Entgasungsvorgangs zeigt, wobei der Regeleingriff vor der Nachverbrennung ebenfalls dargestellt ist.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die in Figur 1 dargestellte
Nachverbrennungseinrichtung 1, die eine Fackel 2 mit einem Stützbrenner 3 umfasst, welche an den Auspuff 4 eines Abgaskanals 5 einer nicht dargestellten Vakuumpumpe einer metallurgischen Anlage angeschlossen ist. Die metallurgische Anlage kann beispielsweise eine Gießpfanne und Einrichtungen zur Entgasung der in der Gießpfanne enthaltenen Metallschmelze umfassen. Die Entgasung der Metallschmelze kann beispielsweise nach einem Teilmengen- Entgasungs-Verfahren, wie dem Ruhrstahl-Fleraeus Verfahren erfolgen, bei dem ein Vakuumgefäß zur Entgasung in die Schmelze eingetaucht wird, wobei in dem Vakuumgefäß über als Dampfstrahlpumpen ausgebildete Vakuumpumpen ein Unterdrück zur Entgasung der Schmelze erzeugt wird. Üblicherweise werden hierzu mehrstufige Vakuumpumpen verwendet, welche an einen Abgaskanal 5 angeschlossen sind. Aus Vereinfachungsgründen wird in der vorliegenden Anmeldung überwiegend der Begriff Vakuumpumpe in der Einzahl verwendet. Im Sinne der Erfindung ist hierunter allerdings auch eine Anordnung von Vakuumpumpen oder eine Pumpe mit einer Vielzahl von Pumpenstufen zu verstehen.
Der Stützbrenner 3 der Fackel 2 kann über eine Steuereinrichtung 6 in und außer Betrieb genommen werden bzw. gezündet und gelöscht werden.
Der Abgaskanal 5 ist stromaufwärts der Fackel 2 an eine Löschleitung 7, eine Speiseleitung 8 für Brenngas und eine Speiseleitung 9 für Stickstoff angeschlossen. Über die Löschleitung 7 ist Stickstoff als Löschmittel aus einem Löschmitteltank 10 dem Abgaskanal 5 zuführbar.
In dem Abgaskanal 5 ist stromaufwärts der Mündung der Speiseleitung 8 für Brenngas in den Abgaskanal 5 und stromabwärts der Mündung der Speiseleitung 9 für Stickstoff eine Durchfluss-Messeinrichtung 11 zur Bestimmung des Abgasvolumenstroms angeordnet. Stromaufwärts der Mündung der
Speiseleitungen 9 in den Abgaskanal ist weiterhin eine Gasanalyse-Einrichtung 12 vorgesehen, mit welcher vorzugsweise fortlaufend die Abgaszusammensetzung ermittelt wird. In Abhängigkeit der Abgaszusammensetzung und des Durchflusses durch den Abgaskanal 5 erfolgt erfindungsgemäß eine Steuerung der Zufuhr von Brenngas und Stickstoff als Inertgas in den Abgaskanal 5 mittels einer
Regeleinrichtung 21 deren Regelschema nachstehend anhand der Darstellung in Figur 2 erläutert wird. Die Regeleinrichtung 21, die in Figur 3 vereinfacht dargestellt ist, steuert in den Speiseleitungen 8, 9 vorgesehene Ventile 13, 14 an, die jeweils mehr oder weniger an Brenngas oder Inertgas bzw. Stickstoff in den Abgaskanal 5 dosieren. Das in Figur 2 dargestellte Regelschema umfasst zwei voneinander abhängige Regelkreise 15,16, wobei ein erster Regelkreis 15 als Führungsgröße den aufgrund der Gaszusammensetzung ermittelten Fleizwert des Abgases regelt, und der in Figur 2 darunter dargestellte zweite Regelkreis 16 als Führungsgröße den Abgasvolumenstrom regelt. Der Fleizwert des Abgases wird anhand der Messwerte aus der Gasanalyse-Einrichtung 12 über den CO Anteil ermittelt. Die Gasanalyse-Einrichtung 12 liefert unter anderem den Sauerstoffanteil und den Kohlenmonoxid Anteil des Abgases. Der CO Anteil bzw. Kohlenmonoxid Anteil des Abgases bestimmt dessen Fleizwert.
Der Fleizwert des Abgases ist weiterhin abhängig vom Stickstoffgehalt des Abgases. Der Abgasvolumenstrom darf einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten, um eine hinreichende Gasgeschwindigkeit sicherzustellen und damit eine mögliche Rückzündung in dem Abgaskanal zu verhindern. Um dies zu gewährleisten, wird dem Abgaskanal eine entsprechende Menge an Inertgas bzw. Stickstoff zugeführt, was wiederum eine Rückwirkung auf den Fleizwert des Abgases hat. Der Fleizwert des Abgases soll einen vorgegebenen Mindestwert, beispielsweise in der Größenordnung von > 2kWh/ Nm3 (200 BTU/scf) nicht unterschreiten. Dieser Wert entspricht einer stöchiometrisch vollständigen Verbrennung des CO
Der erste Regelkreis 15 umfasst eine erste Steuereinrichtung 17 für die Brenngaszufuhr, die das Volumenstrom regelbare Ventil 13 in der Speiseleitung 8 für Brenngas einwirkt. Die Führungsgröße für den Fleizwert wird über einen Fleizwertrechner 18 vorgegeben, der als Eingangsgrößen den tatsächlichen Fleizwert, den Abgasvolumenstrom, die Abgaszusammensetzung und den tatsächlichen Stickstoffvolumenstrom aus dem zweiten Regelkreis 16 verwendet.
Der zweite Regelkreis 16 umfasst eine zweite Steuereinrichtung 19 für Stickstoffzugabe, die auf das den Volumenstrom regelbare Ventil 14 einwirkt. Der zweite Regelkreis 16 umfasst weiterhin einen Volumenstrom Rechner 20, der als Eingangsgrößen den tatsächlich zugeführten Stickstoffvolumenstrom und den Brenngasvolumenstrom verwendet. Der Volumenstromrechner 20 gibt die Führungsgröße für den Mindest - Abgasvolumenstrom vor und liefert parallel dazu diesen Wert an den Heizwertrechner 18.
Figur 4 veranschaulicht die Abgaszusammensetzung und die Abgasmenge während eines typischen Entgasungsvorgangs einer sekundärmetallurgischen Behandlung einer Stahlschmelze, wobei der bei der Entkohlung vorherrschende Druck, die Abgasmenge, die Inertgasmenge, die Erdgasmenge und der CO Anteil des Abgases über die Zeit aufgetragen sind. Ohne weiteres erkennbar ist der Druckabfall (Vakuum/dünne durchgezogene Linie) zu Beginn des Entgasungsvorgangs und der Druckanstieg bei Beendung des Entgasungsvorgangs. Dies geht einher mit einer anfänglich hohen und dann nachlassenden CO Bildung. Die punktierte Linie veranschaulicht den durch die Zugabe von Erdgas (CH4) gestützten Heizwert des Abgases, wohingegen die fette durchgezogene Kurve die Stickstoffzugabe veranschaulicht.
Bezugszeichenliste
1 Nachverbrennungseinrichtung
2 Fackel 3 Stützbrenner
4 Auspuff
5 Abgaskanal
6 Steuereinrichtung 7 Löschleitung 8 Speiseleitung für Brenngas
9 Speiseleitung für Stickstoff
10 Löschmitteltank 11 Durchfluss-Messeinrichtung 12 Gasanalyse-Einrichtung 13, 14 Ventile
15 erster Regelkreis
16 zweiter Regelkreis
17 erste Steuereinrichtung
18 Heizwertrechner 19 zweite Steuereinrichtung
20 Volumenstromrechner 21 Regeleinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Nachverbrennung von kohlenmonoxidhaltigen Abgasen aus metallurgischen Prozessen mit diskontinuierlich anfallenden Abgasvolumina, deren Zusammensetzung und/oder Menge sich während einer Periode, innerhalb welcher Abgas anfällt, verändert, wobei das Verfahren eine Konditionierung des Abgases vor der Nachverbrennung umfasst, derart, dass dem Abgas stromaufwärts der Nachverbrennung wenigstens ein Brenngas und/oder ein Zusatzgas geregelt zugegeben wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Abgases und in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzgas ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, zugegeben wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizwert des Abgases mittelbar über den Kohlenmonoxid Gehalt des Abgases unter Verwendung einer Gasanalyse-Einrichtung (12) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in Abhängigkeit des Kohlenmonoxid Gehalts des Abgases erfolgt, mit dem Regelungsziel einen maximalen Umsatzes von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu erreichen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung so geführt wird, dass der Heizwert des Abgases von > 2kWh/ Nm3 (> 200 BTU/scf) nicht unterschritten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung so geführt wird, dass der Abgasvolumenstrom einen gegebenen Mindestvolumenstrom nicht unterschreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Mindestvolumenstrom des Abgases in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in einem gegebenen
Strömungsquerschnitt so festgelegt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit größer als eine Flammenausbreitungsgeschwindigkeit des Abgases bei der Verbrennung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennung mittels wenigstens einer in oder an einem Kamin angeordneten Stützgas - Fackel (2) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Brenngas und/oder Inertgas über Speiseleitungen (8,9) mit Volumenstrom regelbaren Ventilen (13,14) erfolgt.
10. Verfahren zur Abgasnachbehandlung während einer Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl bei einem metallurgischen Prozess umfassend die Nachverbrennung des Abgases aus der Vakuumbehandlung einer Metallschmelze mittels wenigstens einer Fackel (2) in oder an einem Abgaskanal (5) einer Vakuumpumpe, wobei das Verfahren eine
Konditionierung des Abgases vor der Nachverbrennung umfasst, derart, dass dem Abgas stromaufwärts der Nachverbrennung wenigstens ein Brenngas und/oder einen Zusatzgas geregelt zugegeben wird, wobei die Regelung in Abhängigkeit der Zusammensetzung des Abgases und in Abhängigkeit des Abgasvolumenstroms erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennung periodisch nur während einer Entkohlungsphase der Metallschmelze durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9.
13. Nachverbrennungseinrichtung zur Nachverbrennung von Abgas während einer Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl bei einem sekundärmetallurgischen Prozess, umfassend wenigstens eine Fackel (2) an einem Auspuff (4) eines Abgaskanals (5) einer Vakuumpumpe einer sekundärmetallurgischen Anlage, Mittel zur Zuführung von Brenngas an die Fackel, Mittel zur Einspeisung eines Inertgases in den Abgaskanal der Vakuumpumpe stromaufwärts der Fackel (2), Mittel zur Ermittlung des Abgasvolumenstroms und/oder zur Messung der Abgasgeschwindigkeit innerhalb des Abgaskanals (5), Mittel zur Analyse der
Abgaszusammensetzung, Mittel zur Dosierung des Brenngases und des Inertgases sowie Mittel zur Regelung der Dosierung des Brenngases und/oder des Inertgases in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung.
14. Nachverbrennungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Dosierung des Brenngases und des Inertgases Volumenstrom regelbare Ventile (13,14) vorgesehen sind, die jeweils in Speiseleitungen (8,9) für Brenngas und für Inertgas angeordnet sind, die an den Abgaskanal (5) angeschlossen sind.
15. Nachverbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Dosierung von Brenngas und/oder Inertgas wenigstens eine Regeleinrichtung (21) vorgesehen ist, deren Eingangsgrößen die Abgaszusammensetzung, der Abgasvolumenstrom, die Menge an zugeführtem Brenngas und die Menge an zugeführtem Inertgas sind.
16. Nachverbrennungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigstens eine speicherprogrammierbare Steuerung umfasst.
17. Nachverbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung einen Stützbrenner (3) der Fackel (2) steuert.
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