WO2004108975A1 - Verfahren zur verringerung von schadstoffen in den abgasen eines schmelzofens - Google Patents

Verfahren zur verringerung von schadstoffen in den abgasen eines schmelzofens Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing harmful compounds in the exhaust gases of a burner-fired melting furnace, in which melting material is introduced into the furnace and heat is applied to it with a combustion burner, the combustion gases, which are enriched with harmful compounds from the melting material, essentially flow from the combustion burner to the exhaust opening in the furnace, oxygen-rich gas being supplied to the gas mixture flowing in the melting furnace, the oxygen-rich gas being fed in in the vicinity of the extraction opening of the melting furnace or from the extraction opening itself, and thereby maintaining a feed direction which is contrary to itself is directed without a main flow resulting in oxygen in the melting chamber.
  • the supply of oxygen-rich gas against the furnace gas flowing in the space above the melt causes the combustion and smoldering gases which collect there, that is to say water, CO 2, CO and hydrocarbons, provided that they are not already in the highest final oxidation state, to continue in the furnace oxidized, i.e. burned.
  • the harmful compounds such as carbon monoxide or hydrocarbons
  • the opposite orientation of the addition of the oxygen-rich gas with respect to the inflow of combustion gases from the burner causes that in the
  • the object of the present invention is therefore to provide an improvement in the circumstances described, that is to say a reduction in the harmful compounds produced in the exhaust gases in the melting processes mentioned in the most favorable and efficient manner possible.
  • the amount of oxygen-rich gas introduced into the furnace per unit of time is controlled by a control with the aid of a preset setpoint for the concentration of an exhaust gas component, which is determined in the exhaust duct of the melting furnace.
  • a fundamental advantage of the method according to the invention is that the additional oxygen supply to the furnace provides an oxygen supply option to the furnace that is independent of the combustion burner, and the control, which works with a setpoint value, ensures a good balance between the amount of oxygen present in the furnace and the amount of oxygen in the furnace Furnace introduced into the furnace is reached, a good coordination being achieved when the correct amount of oxygen required for the quantity of melting material introduced, which is necessary for a clean combustion of the exhaust gases, is available in the furnace.
  • the oxygen supply can be carried out with an oxygen lance, which can optionally be designed to be cooled.
  • an oxygen burner is used as the oxygen injector in a highly stoichiometric mode of operation, which results in further promotion of the desired oxidation or combustion of said pollutants, particularly in temperature-critical phases of the melting process - heating phase after charging.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention can be found in the subclaims.
  • the use of the method according to the invention has proven particularly advantageous when melting metals in rotary drum furnaces, e.g. proven for aluminum.
  • the combustion burner and the flue gas duct are arranged exactly opposite one another on the respective end faces of the melting drum, which results in particularly favorable flow conditions in these furnaces due to their geometry and a substantial reduction in the pollutants involved is achieved.
  • the figure shows a rotary drum furnace 1 for melting aluminum scrap 2.
  • a rotary drum 3 ' which encloses a melting chamber 3, is heated on one side with a combustion burner 4 arranged on the drum axis A, the burner flame generated being indicated by a line 5.
  • the controller 11 compares a target value for the concentration of an exhaust gas component (e.g. of oxygen in the exhaust gas) with the concentration of this exhaust gas component measured by a measuring probe 9 and thus sets the amount of oxygen-rich gas to be fed into the furnace 1 via the oxygen burner 8 that the setpoint is obtained.
  • an exhaust gas component e.g. of oxygen in the exhaust gas
  • An oxygen-natural gas burner 8 is arranged in the melting chamber, the outlet nozzle of which is located approximately in the plane of the discharge opening 6 of the melting chamber 3.
  • the arrangement of this oxygen injection burner 8 can vary, it being possible for this burner to be arranged to extend almost by its own length into the melting chamber or withdrawn into the exhaust gas duct.
  • Oxygen burner 8 is directed towards the combustion burner 4 and thus introduces a gas pulse which counteracts the movement impulse of the combustion gases originating from the burner 4 and thus produces gas turbulence up to gas recirculation, as indicated by the arrows in the figure.
  • a displaceable accommodation of the oxygen burner 8 in the exhaust gas duct 7 is particularly favorable, as a result of which the burner can be optimally positioned in the exhaust gas duct 7 with respect to the melting chamber with regard to the exhaust gas values.
  • the measuring probe 9, which is likewise accommodated in the exhaust gas duct 7, is not impaired by this.
  • the procedure according to the invention is a comparatively simple to implement and has no other disadvantages, with which the values of harmful compounds in the exhaust gas in said melting processes can be significantly reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens (1), bei dem Schmelzgut (2) in den Ofen (1) eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner (4) mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem Schmelzgut (2) angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner (4) zur Abzugsöffnung (6) im Ofen (1) strömen, wobei dem im Schmelzofen (1) strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung (6) des Schmelzofens (1) oder aus der Abzugsöffnung (6) selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum (3) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen (1) eingebrachten sauerstoffreichen Gases über eine Steuerung (11) unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird, gesteuert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Verringerung von Schadstoffen in den Abgasen eines Schmelzofens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens, bei dem Schmelzgut in den Ofen eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem Schmelzgut angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner zur Abzugsöffnung im Ofen strömen, wobei dem im Schmelzofen strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung des Schmelzofens oder aus der Abzugsöffnung selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum gerichtet ist.
In Metallschmelzöfen, insbesondere in Öfen, in denen NE-Recycling-Metall eingeschmolzen wird, z.B. Aluminium oder Blei, entstehen häufig Schwelgase und letztlich Abgase mit hohen Konzentrationen an unerwünschten Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Hinsichtlich dieser Gase ist. derzeit ein Grenzwert von 50 mg organischem Kohlenstoff im Halbstundenmittel im Abgas zu berücksichtigen. Besagte Gase entstehen beim
Schmelzprozeß des mit entsprechenden Verunreinigungen eingebrachten Materials, z.B. aus Lackierungen oder anderen Kunststoffbeschichtungen dieses Materials, wobei diese Materialien durch das Erhitzen verdampfen, sich mit den vom Feuerungsbrenner stammenden Verbrennungsgasen vermischen und schließlich in dieser Mischung die Anlage durch den Abgaskanal verlassen.
Vielfach wurde bislang die bei diesen Schmelzvorgängen auftretende Schadstofferzeugung einfach hingenommen, andererseits ist dies nach heutiger Sehweise und auch vor dem Hintergrund nicht überschreitbarer Schadstoff-Obergrenzen nicht mehr vertretbar oder zulässig. Zur Verminderung der Schadstoffe wurden daher auch schon Einrichtungen vorgeschlagen, die im wesentlichen für eine Nachverbrennung der schädlichen Verbindungen im Abgasteil einer solchen Schmelzanlage sorgen. Dafür . sind eigens dafür zu installierende Nachbrenner bekannt, die auf das im Abgaskanal fließende Gas einwirken. Diese Maßnahmen bedeuten jedoch einen nicht uner- heblichen Energie- und Sachaufwand und eine zusätzliche thermische Belastung der Abgasseite einer Schmelzanlage.
Zum Frischen, d.h. Oxidieren von Kohlenstoff und unerwünschten Elementen in der Schlacke, ist es bei Siemens-Martin-Öfen bekannt, Sauerstoff über wassergekühlte Lanzen, die senkrecht von oben in den Ofen geführt werden, knapp oberhalb des Bades auf die Schlacke zu blasen ("Stahl u. Eisen" 80, Nr.7, 31. März 1960, S. 441- 444). Durch dieses Verfahren wird die chemische Zusammensetzung der Schrήelze verändert, um Roheisen in Stahl umzuwandeln, eine Schadstoffreduktion in den Abgasen des Schmelzofens ist nicht beabsichtigt.
Die Zuspeisung von sauerstoffreichem Gas entgegen das im Raum über der Schmelze strömende Ofengas bewirkt, daß die dort sich sammelnden Verbrennungs- und Schwelgase, also Wasser, CO«, CO und Kohlenwasserstoffe, sofern sie nicht schon in der höchsten Oxidationsendstufe vorliegen, bereits im Ofen weiter oxidiert, also nachverbrannt werden. Dadurch werden insbesondere die schädlichen Verbindungen, wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe weiterreagiert, wodurch auch deren Anteile im Abgas wie gewünscht vermindert werden. Die gegensinnige Orientierung der Zugabe des sauerstoffreichen Gases bezüglich des Zuflusses der Verbrennungsgase vom Feuerungsbrenner bewirkt dabei, daß in den
Schmelzofeninnenraum sich gegenseitig verwirbelnde Strömungen eingebracht werden und so diese strömenden Gase nur zu einem geringen Teil schon nach kurzer Zeit wieder aus dem Ofen austreten. Dabei entstehen nämlich Rezirkulations- und Wirbelströmungen im Ofeninnenraum, die die Aufenthaltszeit der schädlichen Verbindungen im Ofen bei hohen Temperaturen verlängern und so die besagte Oxidation stark begünstigen.
Durch Zugabe des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung für die Ofengase oder aus der Abzugsöffnung selbst wird erreicht, daß der eingespeiste O2-Volumenstrom nicht die Hauptströmungsrichtung unterstützt und damit hilft, Schadstoffe unverbrannt in das Abgassystem zu treiben, sondern daß nahezu alle Gase vor dem Verlassen des Schmelzofens mit dem sauerstoffreichen Gasstrom in Berührung kommen, wobei gleichzeitig eine sehr effiziente Rezirkulation der Ofengase bewirkt wird. Mit dieser Ausführung wird eine besonders wirkungsvolle Abgasreduzierung festgestellt, die wohl darauf beruht, daß der aus dem Abgaskanal oder seiner Umgebung kommende Sauerstoffstrom quasi eine Kohlenwasserstoff- und Kohlenmoπoxidsperre für die abziehenden Gase darstellt. Es wird also bewirkt, daß die Schwelgase und die schädlichen Verbindungen, die sich in den Schwelgasen aus dem Schmelzgut befinden und im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid bestehen, bereits im Ofen verbrennen. Die entstehende Wärme kommt dem Schmelzprozeß zugute womit wertvolle Primärenergie eingespart werden kann.
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Verbesserung der geschilderten Umstände zu schaffen, also eine Verringerung der erzeugten, schädlichen Verbindungen in den Abgasen bei den angesprochenen Schmelzprozessen auf möglichst günstige und effiziente Weise zu erreichen.
Besagte Umstände werden erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen eingebrachten sauerstoffreichen Gases über eine Steuerung unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal des Schmelzofens ermittelt wird, gesteuert wird.
Ein grundsätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß über die zusätzliche Sauerstoffzuführung in den Ofen eine vom Feuerungsbrenner unabhängige Sauerstoffzufuhrmöglichkeit zum Ofen besteht und durch die Steuerung, die mit einem Sollwert arbeitet, eine gute Abstimmung von im Ofen vorhandener Sauerstoffmenge und der Menge des in den Ofen eingebrachten Schmelzguts erreicht wird, wobei eine gute Abstimmung dann erreicht ist, wenn die für die eingebrachte Menge an Schmelzgut richtige, für einen sauberen Ausbrand der Abgase notwendige Menge an Sauerstoff im Ofen zur Verfügung steht.
Die Sauerstoffzufuhr kann dabei mit einer Sauerstofflanze, die gegebenenfalls gekühlt ausgebildet sein kann, ausgeführt werden. Vorzugsweise wird jedoch als Sauerstoff- injektor ein Sauerstoffbrenner in stark überstöchiometrischer Betriebsweise angewendet, wodurch sich eine weitere Förderung der erwünschten Oxidation bzw. Verbrennung besagter Schadstoffe auch und gerade in temperaturmäßig kritischen Phasen des Schmelzprozesses - Aufheizphase nach dem Chargieren - ergibt. Bevorzugt Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schmelzen von Metallen in Drehtrommelöfen z.B. für Aluminium erwiesen. Bei diesen Öfen sind der Feuerungsbrenner und der Abgaskanal genau einander gegenüberliegend an den jeweiligen Stirnseiten der Schmelztrommel angeordnet, wodurch sich in diesen Öfen aufgrund deren Geometrie besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben und eine weitgehende Reduktion der betreffenenden Schadstoffe erreicht wird.
Anhand der Figur soll im folgenden die erfindungsgemäße Verfahrensweise mit einer zugehörigen Schmelzanlage beispielhaft näher beschrieben werden.
Die Figur zeigt einen Drehtrommelofen 1 für das Schmelzen von Aluminiumschrott 2. Eine Drehtrommel 3', die einen Schmelzraum 3 umschließt, wird einseitig mit einem auf der Trommelachse A angeordneten Feuerungsbrenner 4 beheizt, wobei die erzeugte Brennerflamme durch eine Linie 5 angedeutet ist. Eine Dossiervorrichtung 12, mit der die Menge des zuzuführenden sauerstoffreichen Gases eingestellt wird, steht über eine Steuerleitung mit einer Steuerung 11 in Verbindung. Die Steuerung 11 vergleicht einen Sollwert für die Konzentration einer Abgaskomponenet (z. B. von Sauerstoff im Abgas) mit der von einer Meßsonde 9 gemessenen Konzentration dieser Abgaskomponente und stellt die Menge des in den Ofen 1 über den Sauerstoff-Brenner 8 zuzuführenden sauerstoffreichen Gases so ein, daß der Sollwert erhalten wird.
Auf der der Brennerseite gegenüberliegenden Stirnseite der Drehtrommel 3' befindet sich eine Abzugsöffnung 6, durch die Abgase, die aus Verbrennungsgasen des Feuerungsbrenners 4 sowie Schwelgasen aus dem Schmelzgut 2 bestehen, die Drehtrommel des Schmelzofens 1 verlassen. An die Abzugsöffnung 6 für die Abgase schließt sich ein Abgaskanal 7 an, wobei axial in diesem Kanal und in Richtung
Schmelzraum gerichtet ein Sauerstoff-Erdgas-Brenner 8 angeordnet ist, wobei dessen Austrittsdüse sich etwa in der Ebene der Abzugsöffnung 6 des Schmelzraums 3 befindet. Die Anordnung dieses Sauerstoff-Injektionsbrenners 8 kann variieren, wobei dieser Brenner fast um seine Eigenlänge in den Schmelzraum hineinreichend oder in den Abgaskanal zurückgezogen angeordnet sein kann. In jedem Fall ist der Sauerstoffbrenner 8 dem Feuerungsbrenner 4 entgegengerichtet und bringt somit einen Gasimpuls ein, der dem Bewegungsimpuls der vom Brenner 4 stammenden Verbrennungsgase genau entgegenwirkt und somit Gasverwirbelungen bis hin zu Gasrezirkulationen erzeugt, wie sie mit den Pfeilen in der Figur angedeutet sind.
Besonders günstig ist eine verschiebbare Unterbringung des Sauerstoffbrenners 8 im Abgaskanal 7, wodurch eine hinsichtlich der Abgaswerte optimale Positionierung des Brenners im Abgaskanal 7bezüglich des Schmelzraums gefunden werden kann. Die ebenfalls im Abgaskanal 7 untergebrachte Meßsonde 9 wird davon nicht beeinträchtigt.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise stellt eine vergleichsweise einfach realisierbare und keine anderen Nachteile aufweisende Möglichkeit dar, mit der die Werte an schädlichen Verbindungen im Abgas bei besagten Schmelzprozessen erheblich gesenkt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verringerung von schädlichen Verbindungen in den Abgasen eines brennerbefeuerten Schmelzofens (1), bei dem Schmelzgut (2) in den Ofen (1) eingebracht und dort mit einem Feuerungsbrenner (4) mit Wärme beaufschlagt wird, wobei die Verbrennungsgase, die mit schädlichen Verbindungen aus dem
Schmelzgut (2) angereichert werden, im wesentlichen vom Feuerungsbrenner (4) zur Abzugsöffnung (6) im Ofen (1) strömen, wobei dem im Schmelzofen (1) strömenden Gasgemisch sauerstoffreiches Gas zugeführt wird, wobei die Einspeisung des sauerstoffreichen Gases in der Umgebung der Abzugsöffnung (6) des Schmelzofens (1) oder aus der Abzugsöffnung (6) selbst vorgenommen wird und dabei eine Einspeisungsrichtung eingehalten wird, die entgegen der sich ohne Sauerstoffeintrag ergebenden Hauptströmung im Schmelzraum (3) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro Zeiteinheit in den Ofen (1) eingebrachten Sauerstoff reichen Gases über eine Steuerung (11) unter Zuhilfenahme eines vorab eingestellten Sollwerts für die Konzentration einer Abgaskomponente, die im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird, gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffreiche Gas reiner Sauerstoff ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffzufuhr mit einem überstöchiometrisch betriebenen Brenner (8), d.h.. mit einem mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Brenner (8), ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Abgaskomponente Sauerstoff im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Abgaskomponente Kohlenmonoxid im Abgaskanal (7) des Schmelzofens (1) ermittelt wird. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beim Schmelzen von Metallen in Drehtrommelschmelzöfen (1), bei denen der Feuerungsbrenner (4) und der Abgaskanal (7) genau einander gegenüberliegend an den jeweiligen Stirnseiten der Schmelztrommel (3') angeordnet sind.
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