WO2007071332A1 - Verfahren zum betreiben eines drehrohrofens - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for operating a rotary kiln for burning mineral material, wherein the material is moved by the rotational movement of the rotary kiln from the entrance to the exit and takes place by means of at least one heat source, a heat transfer to the material to be fired.
- Rotary kilns are used, for example, in the cement industry for firing cement clinker. Due to the rotational movement and the inclined arrangement of the rotary kiln, the material to be burned is moved from the entrance to the exit while being exposed to the heat source. The material assumes different states of aggregation during its passage, the speed at which the material is moved through the furnace and the amount of heat provided must be precisely aligned with one another in order to obtain a consistent end product with the desired properties.
- the object of the invention is to improve the method for operating rotary kilns in such a way that the energy consumption can be reduced. According to the invention, this object is solved by the features of claim 1.
- the material is moved by the rotary movement of the rotary kiln from the input to the output, wherein by means of at least one heat source, a heat transfer takes place on the material to be fired.
- the rotational speed of the rotary kiln is increased to more than 7.0, preferably to more than 8 rpm and the rotary kiln simultaneously with more than 7 t / m 3 , preferably more than 7.5 t / m 3 charged.
- the larger surface of the heat source exposed material leads to a higher heat transfer at the same temperature difference.
- This significantly improved heat transfer enables the significant increase in throughput to more than 7 t / m 3 , preferably more than 7.5 t / m 3 .
- Higher throughput specifically results in lower energy consumption because the environmental losses of the furnace do not increase.
- rotary kilns with an inner diameter of at least 3.5 m, preferably more than 4 m, are used for the method described above.
- inside diameters of more than 4.5 m, preferably of at least 5 m.
- the rotary kiln is advantageously operated with an inclination in the range of 1 ° to 4.5 °, preferably 1.5 ° to 3.5 °.
- rotary kilns with or without lining can be used.
- a rotary kiln with a brick lining is used whose thickness is in the range of 0.05 to 0.25 m, preferably in the range of 0.1 and 0.15 m.
- the speed of the rotary kiln must not be increased so far that critical speeds are reached. In terms of process technology, this is referred to as the critical speed when the radial acceleration neutralizes the acceleration due to gravity. Then it comes to centrifuging, i. that the material sticks to the wall. This critical speed is given by the following formula:
- FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a rotary kiln
- Fig. 2 is a schematic cross-sectional view
- Fig. 3 is a diagram showing the average residence time of the material in the rotary kiln at different speeds.
- the rotary kiln 1 shown in the drawing is rotatably supported by two bearings 2, 3. About a suitable, not shown drive the rotary kiln is rotated in the direction of arrow 4 or opposite to the furnace axis 5. The material to be burned 6 is abandoned at an input of the rotary kiln 1 and moves through the rotary kiln to its output 8. The movement of the material through the rotary kiln takes place on the one hand by the rotational movement and on the other by the inclination of the rotary kiln.
- the furnace axis 5 is preferably aligned in a range of 1.5 ° to 3.5 ° to the horizontal, so that the output 8 is lower than the input 7.
- the inner diameter D of the rotary kiln is at least 3.5 m, preferably at least 4.5 m. But it would also be an internal diameter of at least 5 m conceivable.
- a heat source 9 in the form of a rotary kiln burner is provided in the area of the outlet 8.
- the material 6 to be burned is taken upwards on the inner wall 10 due to the radial acceleration, until the material falls downwards due to gravity.
- the radial acceleration acting on the material depends in particular on the speed. The greater the rotational speed, the longer the material 6 adheres to the inner wall before it falls down due to gravity. The higher the material is entrained, the greater is also the surface of the material to be fired 6 exposed to the heat source 9.
- the angle a drawn in FIG. 2 indicates the angle range in which the material adheres to the inner wall. It thus represents a measure of the heat source exposed surface of the material to be fired.
- the average residence time of the material can be adjusted specifically. It would therefore be quite possible that the material even remains longer in the oven at higher speeds.
- the adhesive properties of the material to be fired are reduced by suitable material adaptation.
- the inner wall 10 of the rotary kiln could be coated at least over a portion of the furnace length such that excessive caking of the material on the inner wall is avoided. Both measures make it possible to increase the rotational speeds without centrifuging the material in the region of the exit. Especially in this rear region of the rotary kiln, it is easy to larger caking due to the higher temperatures, which favor the entrainment of the material. This formation of deposits also has the consequence that the inner diameter of the rotary kiln tapers from the inlet to the outlet.
- the forming approaches still have the further disadvantage that part of the approaches solve from time to time and be discharged as a more or less large chunk with the fired material.
- the detachment of parts of the approach is mainly caused by the fact that the inner wall during a revolution large Temperature fluctuations is exposed. In the area of the sintering zone, it is currently assumed that the temperature fluctuations can be up to 100 K.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material, wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet. Zur Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials wird die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 7,0, vorzugsweise mehr als 8 Upm gesteigert und der Drehrohrofen wird gleichzeitig mit mehr als 7 tato/m<SUP>3</SUP>, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m<SUP>3</SUP> belastet.
Description
Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material, wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet.
Drehrohröfen werden beispielsweise in der Zementindustrie zum Brennen von Zementklinker eingesetzt. Durch die Drehbewegung und die geneigte Anordnung des Drehrohrofens wird das zubrennende Material vom Eingang zum Ausgang bewegt und dabei der Wärmequelle ausgesetzt. Das Material nimmt bei seinem Durchgang unterschiedliche Aggregatzustände an, wobei die Geschwindigkeit, mit der das Material durch den Ofen bewegt wird und die bereitgestellte Wärmemenge genau aufeinander abgestellt sein müssen, um ein gleichbleibendes Endprodukt mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.
In der Fachwelt wird die Auffassung vertreten, dass Drehrohröfen, die zum Brennen von Zement oder anderen Mineralien Anwendung finden, nicht zu schnell drehen sollen, um zu kurze Materialverweilzeiten zu vermeiden. Andererseits können geringe Drehzahlen zu einem ungleichmäßigen Materialstrom führen. Auch sagen Fachleute, dass der Ofen nicht zu langsam betrieben werden darf, da dieser sonst zu heiß wird und Schäden an der Ausmauerung und somit einen Ofenstillstand zur Folge hätten. Die Argumentation der Fachwelt hat in der Praxis dazu geführt, das heutzutage Drehrohröfen mit Drehzahlen mit 1,5 bis 5 Upm betrieben werden und dabei Materialbelastungen von etwa 4 tato/m3 (4 Tonnen pro Tag und m3 Ofeninnenraum) erreicht werden können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Betreiben von Drehrohröfen dahingehend zu verbessern, dass der Energieverbrauch verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens zum Brennen von mineralischem Material wird das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt, wobei dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle eine Wärmübertragung auf das zu brennenden Gut stattfindet. Zur Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials wird die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 7,0 , vorzugsweise auf mehr als 8 Upm gesteigert und der Drehrohrofen gleichzeitig mit mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3 belastet.
Entgegen der vorherrschenden Meinung der Fachwelt führt eine Steigerung der Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 7,0 bzw. mehr als 8 Upm nicht zu einer ungenügenden Verweilzeit des Materials im Ofen. Durch die erhöhte Drehzahl wird die der Wärmequelle ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials erhöht, da das Material bei der Drehbewegung höher an der Innenwand heraufgezogen wird. Außerdem sorgen Rücktransporteffekte des Materials für eine genügende Verweilzeit des Materials im Ofen.
Die größere Oberfläche des der Wärmequelle ausgesetzten Materials führt zu einer höheren Wärmeübertragung bei gleicher Temperaturdifferenz. Diese wesentlich verbesserte Wärmeübertragung ermöglicht die deutliche Durchsatzsteigerung auf mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3. Ein höherer Durchsatz führt spezifisch zu einem geringeren Energieverbrauch, da die Umgebungsverluste des Ofens nicht mit ansteigen.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche haben gezeigt, dass eine Steigerung der Drehzahl auf mehr als 7,0 , vorzugsweise auf mehr als 8 Upm und eine Belastung des Drehrohrofens auf mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3 nach wie vor zu einer hohen Qualität des gebrannten Produktes führt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kommen für das oben beschriebene Verfahren Drehrohröfen mit einem Innendurchmesser von wenigstens 3,5m, vorzugsweise von mehr als 4m zur Anwendung. Es können aber auch Innendurchmesser mit mehr als 4,5m , vorzugsweise von wenigstens 5m, eingesetzt werden. Außerdem wird der Drehrohrofen vorteilhafterweise mit einer Neigung im Bereich von 1° bis 4,5°, vorzugsweise 1,5° bis 3,5° betrieben.
Weiterhin können Drehrohröfen mit oder ohne Ausmauerung verwendet werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kommt ein Drehrohrofen mit einer Ausmauerung zur Anwendung, deren Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,25m, vorzugsweise im Bereich von 0,1 und 0,15m liegt.
Die Drehzahl des Drehrohrofens darf jedoch nicht soweit gesteigert werden, dass kritische Drehzahlen erreicht werden. Verfahrenstechnisch spricht man von der kritischen Drehzahl, wenn die Radialbeschleunigung die Erdbeschleunigung aufhebt. Dann kommt es zum Zentrifugieren, d.h. dass das Material an der Wand haften bleibt. Diese kritische Drehzahl ergibt sich aus folgender Formel:
D = Innendurchmesser des Drehrohrofens in m, g = Normalbeschleunigung in m/s2 und nkπt-Drehzahl in l/min
Eine weitere kritische Drehzahl ergibt sich aus der Durchbiegung des Drehrohrofens und die daraus resultierende Biegeeigenfrequenz. Diese kritische Drehzahl berechnet sich wie folgt:
wobei v = Durchbiegung infolge des Eigengewichts des Drehrohrofens in m, g=Normalbeschleunigung in m/s2 und nkrit,b=Drehzahl in l/min
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
hi der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Drehrohrofens,
Fig. 2 eine schematische Querschnittdarstellung und
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der mittleren Verweilzeit des Materials im Drehrohrofen bei unterschiedlichen Drehzahlen.
Der in der Zeichnung dargestellte Drehrohrofen 1 wird über zwei Lager 2, 3 drehbar abgestützt. Über einen geeigneten, nicht näher dargestellten Antrieb wird der Drehrohrofen in Richtung des Pfeils 4 oder entgegengesetzt um die Ofenachse 5 gedreht. Das zu brennende Material 6 wird an einem Eingang des Drehrohrofens 1 aufgegeben und bewegt sich durch den Drehrohrofen bis zu seinem Ausgang 8. Die Bewegung des Materials durch den Drehrohrofen erfolgt zum einen durch die Drehbewegung und zum anderen durch die Neigung des Drehrohrofens.
Die Ofenachse 5 wird vorzugsweise in einem Bereich von 1,5° bis 3,5° zur Horizontalen ausgerichtet, sodass der Ausgang 8 tiefer liegt als der Eingang 7. Der Innendurchmesser D des Drehrohrofens beträgt wenigstens 3,5 m, vorzugsweise
wenigstens 4,5 m. Es wäre aber auch ein Innendurchmesser von wenigstens 5 m denkbar.
Im Bereich des Ausgangs 8 ist eine Wärmequelle 9 in Form eines Drehrohrofenbrenners vorgesehen.
Durch die Drehbewegung des Drehrohrofen 1 wird das zu brennende Material 6 aufgrund der Radialbeschleunigung an der Innenwand 10 mit nach oben genommen, bis das Material aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt. Die auf das Material wirkende Radialbeschleunigung hängt insbesondere von der Drehzahl ab. Je größer die Drehzahl ist, umso länger haftet das Material 6 an der Innenwand, bevor es aufgrund der Schwerkraft nach unten fällt. Je höher das Material mitgenommen wird, umso größer ist auch die der Wärmequelle 9 ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials 6. Der in Fig. 2 eingezeichnete Winkel a kennzeichnet den Winkelbereich, in dem das Material an der Innenwand haftet. Er stellt somit ein Maß für die der Wärmequelle ausgesetzte Oberfläche des zu brennenden Materials dar.
Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt, dass eine höhere Umdrehungszahl keineswegs zu einer geringeren Verweilzeit des Materials im Drehrohrofen führen muss. Diese Erkenntnis beruht im Wesentlichen auf zwei Effekten, die einen Rücktransport eines Teils des Materials bewirken. Der eine Effekt ergibt sich dadurch, dass die Streuwirkung des von weiter oben nach unten fallenden Materials größer ist und somit ein größerer Anteil des Materials zurücktransportiert wird und außerdem mehr Material vom Gasstrom, der den Drehrohrofen vom Ausgang zum Eingang durchsetzt, in Richtung des Eingangs mitgerissen wird.
Im Diagramm gemäß Fig. 3 ist nach rechts die Verweilzeit t des Materials im Ofen und nach oben der Materialanteil in Prozent aufgetragen. Die Kurve A zeigt dabei die Materialverteilung bei einer niedrigeren Drehzahl und die Kurve B bei einer höheren Drehzahl. In beiden Fällen kann sich in etwa die gleiche mittlere Verweilzeit
tm ergeben. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Versuchen hat sich gezeigt, dass sich die mittlere Verweilzeit bei Drehzahlen von mehr als 7,0 , vorzugsweise mehr als 8 Upm, nicht signifikant von der mittleren Verweilzeit bei niedrigeren Drehzahlen unterscheidet.
Abhängig von der Drehzahl, den Hafteigenschaften des zu brennenden Materials und den Hafteigenschaften der Innenwand des Drehrohrofens kann die mittlere Verweilzeit des Materials gezielt eingestellt werden. Es wäre daher durchaus möglich, dass das Material bei höheren Drehzahlen sogar länger im Ofen verbleibt.
Die Erhöhung der der Wärmequelle ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials und die sich ergebenden Rücktransporteffekte ermöglichen die Durchsatzleistung des Drehrohrofens auf mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3 zu erhöhen.
Neben der erhöhten Drehzahl von mehr als 7,0 , vorzugsweise mehr als 8 Upm kann es von Vorteil sein, wenn die Hafteigenschaften des zu brennenden Materials durch geeignete Materialanpassung verringert werden. Außerdem könnte die Innenwand 10 des Drehrohrofens zumindest über einen Teil der Ofenlänge derart beschichtet werden, dass ein übermäßiges Anbacken des Materials an der Innenwand vermieden wird. Beide Maßnahmen ermöglichen eine Erhöhung der Drehzahlen, ohne dass es im Bereich des Ausgangs zum Zentrifugieren des Materials kommt. Gerade in diesem hinteren Bereich des Drehrohrofens kommt es aufgrund der höheren Temperaturen leicht zu größeren Anbackungen, welche die Mitnahme des Materials begünstigen. Diese Ansatzbildung hat auch zur Folge, dass sich der Innendurchmesser des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang verjüngt.
Die sich bildenden Ansätze haben noch den weiteren Nachteil, dass sich ein Teil der Ansätze von Zeit zu Zeit lösen und als mehr oder weniger große Brocken mit dem gebrannten Material ausgetragen werden. Das Ablösen von Teilen des Ansatzes wird vor allem dadurch bewirkt, dass die Innenwand während einer Umdrehung großen
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Im Bereich der Sinterzone geht man momentan davon aus, dass die Temperaturschwankungen bis zu 100 K betragen können.
Die Erhöhung der Drehzahl bewirkt neben den oben beschriebenen Effekten auch eine deutliche Verringerung der Temperaturschwankung. In Abhängigkeit der Innenwandbedeckung mit dem zu brennenden Material können diese Temperaturschwankungen sehr gering, insbesondere unter 20 K werden. Dies hat den Vorteil, dass sich die temperaturabhängigen Stoffeigenschaften des Ansatzes in der Sinterzone deutlich weniger ändern und somit der Ansatz stabilisiert wird.
Die Erhöhung der Drehzahl auf mehr als 7,0 , vorzugsweise mehr als 8 Upm und die Steigerung der Belastung auf mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3 ermöglichen einen energetisch günstigeren Betrieb des Drehrohrofens ohne dass Einbußen bei der Qualität des Endproduktes hingenommen werden müssen.
Claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrofens (1) zum Brennen von mineralischem Material (6), wobei das Material durch die Drehbewegung des Drehrohrofens vom Eingang zum Ausgang bewegt wird und dabei mittels wenigstens einer Wärmequelle (9) eine Wärmeübertragung auf das zu brennende Gut stattfindet,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der der Wärmequelle (9) ausgesetzten Oberfläche des zu brennenden Materials (6) die Drehzahl des Drehrohrofens auf mehr als 7,0 , vorzugsweise auf mehr als 8 Upm, gesteigert und der Drehrohrofen gleichzeitig mit mehr als 7 tato/m3, vorzugsweise mehr als 7,5 tato/m3 belastet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen (1) mit einem Innendurchmesser (D) von wenigstens 3,5m, vorzugsweise von mehr als 4,5m, zur Anwendung kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Neigung im Bereich von 1° bis 4,5°, vorzugsweise 1,5° bis 3,5° betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Drehzahl betrieben wird, die kleiner als die sich aus der nachfolgenden Formel ergebende kritische Drehzahl ist: kru Iπiü wobei D = Innendurchmesser des Drehrohrofens in m, g = Normalbeschleunigung in m/s2 und rikπt = Drehzahl in l/min
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrofen (1) mit einer Drehzahl betrieben wird, die kleiner als die sich aus der nachfolgenden Formel ergebende kritische Drehzahl ist:
wobei v = Durchbiegung infolge des Eigengewichts des Drehrohrofens in m, g = Normalbeschleunigung in m/s2 und Drehzahl in l/min
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu brennendes Material (6) verwendet wird, dessen Hafteigenschaften durch Materialanpassung verringert wurden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (10) des Drehrohrofens zumindest über einen Teil der Ofenlänge derart beschichtet wird, dass ein übermäßiges Anbacken des Materials vermieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen (1) verwendet wird, dessen Innendurchmesser (D) sich, infolge der Ansatzbildung durch das Material, vom Eingang zum Ausgang verjüngt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen ohne Ausmauerung verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen mit einer Ausmauerung verwendet wird, deren Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,25m, vorzugsweise im Bereich von 0,1 und 0,15m liegt.
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 06829578 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |