CH637760A5

CH637760A5 - Method for burning mineral, carbonate-containing raw materials in the co-current regenerative shaft furnace

Info

Publication number: CH637760A5
Application number: CH968378A
Authority: CH
Inventors: Erwin Fuessl; Karl Scheibenreif
Original assignee: Maerz Ofenbau
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1978-09-15
Publication date: 1983-08-15
Also published as: ATA482379A; SE7906176L; FR2436346A1; FR2436346B1; DE2927834A1; AT372519B; CA1124513A; JPS5816932B2; JPS5539300A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen von mineralischen karbonathaltigen Rohstoffen im Gleichstrom-Rege-nerativ-Schachtofen mit mindestens zwei Schächten, von denen abwechselnd der eine Schacht der im Gleichstrom betriebene Brennschacht und der andere Schacht der Gegenstromschacht ist bei gleichzeitiger Kühlung des gebrannten Rohstoffes in der Kühlzone der Schächte.

Bei dem bekannten Regeneratiwerfahren für stark endotherme Prozesse, beispielsweise zum Brennen von karbonathaltigen Rohstoffen wie Kalkstein, Dolomit oder Magnesit handelt es sich um ein Verfahren, welches seit dessen Bekanntwerden (AT-PS 211 214) für den Bau von Gleichstrom-Gegenstrom-Schachtöfen mit zwei oder drei Schächten vielfach angewandt 5 und auch in der Literatur vielfach beschrieben worden ist, u.a. von E. Schiele und L.W. Berens im Buch «Kalk», Seite 147-151, Verlag Stahl-Eisen, Düsseldorf.

Die ausschliesslich regenerative Ausnützung der Wärmeträger in diesem Brennverfahren hat sich sehr gut bewährt, weil in 10 der Vorwärmezone der Schächte nicht nur das Brenngut, sondern auch die Verbrennungsluft vorgewärmt wird; das wärmetechnische Merkmal eines solchen Ofens ist die regenerative Vorwärmung der Verbrennungsluft. Dieses Brennverfahren ist wärmetechnisch praktisch nicht mehr verbesserungsfähig, je-15 doch entspricht es in betrieblicher Hinsicht noch nicht allen Anforderungen. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Brennverfahren entsprechend zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, 20 dass die durch den gebrannten Rohstoff in der Kühlzone erwärmte Kühlluft am Ende der Kühlzone mindestens teilweise aus dem Ofen abgeführt und ihr Wärmeinhalt ausserhalb der Ofenschächte rekuperativ zur Vorwärmung der dem Ofen zuzuführenden Rohstoffe und/oder zur Vorwärmung der am oberen Ende der Vorwärmzone zuzuführenden Verbrennungsluft ausgenützt wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von Regenera-tiv-Schachtöfen beispielsweise beschrieben. Es zeigen: 30 Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zweischachtofens mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt,

Fig. 2 ein Druckmodell für die Kühlzone des Gegenstrom-schachtes eines Regenerativ-Schachtofens mit der Abführung der Kühlluftmenge an der aussenseitigen Seitenwand, 35 Fig. 3 ein Druckmodell für die Kühlzone des Gleichstromschachtes eines Regenerativ-Schachtofens mit der Abführung der Kühlluftmenge an der innenseitigen Seitenwand und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Zweischachtofens mit kreisförmigem Schachtquerschnitt.

40 Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zweischachtofen ist der Schacht 1 der im Gleichstrom betriebene Brennschacht und der Schacht 2 der Gegenstromschacht. In den Schächten 1,2 wird eine Vorwärmzone V, eine Brennzone B, eine Nachentsäuerungszone N und eine Kühlzone K unterschieden. Die Zufuhr 45 der Verbrennungsluft und der Kühlluft erfolgt mittels eines Gebläses 3 bzw. 4, z.B. eines Drehkolbengebläses. Der Brennstoff tritt etwa am Beginn der Brennzone B über Brenner 5 in den Brennschacht, in Fig. 1 der Schacht 1. Die durch einen Pfeil 6 symbolisch dargestellten Rauchgase strömen, angereichert 50 durch das aus dem Rohstoff, z.B. Kalkstein austretende C02, zunächst parallel mit der Schüttung nach unten, dann weiter in den Gegenstromschacht 2 und dort entgegen der Schüttbewegung nach oben zu einem Abzug 7. Die über eine Leitung 8 den beiden Schächten 1,2 über Schiebetische 9 zum Austragen des gebrannten Materials zugeführte Kühlluft 10 strömt in der Kühlzone K nach oben und nach ihrer Erwärmung durch den gebrannten Kalk seitlich über Abzugkanäle 11 nach aussen über eine Entstaubungsvorrichtung 12, z.B. einen Zyklon, und über eine Leitung 13 in einen Kalksteinvorwärmer 14 oder über ei-60 nen Luftrekuperator 15 ins Freie oder in eine nicht dargestellte Entstaubung.

Die vom Gebläse 4 über eine Leitung 16 gelieferte Verbren-65 nungsluft tritt entweder direkt über eine Leitung 17 oder über den Luftrekuperator 15 oben in den Schacht 1 ein. Der in einem Aufgabekübel 18 vorerwärmte und vorgetrocknete Kalkstein wird je nach Bedarf dem einen oder anderen der Schächte 1,2

55

637 760

zugeleitet. Nach Beendigung des Brennvorgangs im Schacht 1 wird umgestellt und der Schacht 2 wird zum Brennschacht und der Schacht 1 zum Gegenstromschacht.

Fig. 2 und 3 zeigen die Strömungsverhältnisse in der Nach-entsäuerungszone N und in der Kühlzone K des Gegenstrom-schachts 2 bzw. des Brennschachts 1. Die an einem Modell mittels der elektrischen Analogiemethode gefundenen Ergebnisse zeigen, dass es sowohl im Gegenstromschacht 2 als auch im Brennschacht 1 möglich ist, praktisch die gesamte Kühlluftmenge durch das Gebläse 3 abzusaugen, wenn die Abzugkanäle 11 für den Gegenstromschacht an der aussenseitigen, d.h. vom Schacht 1 entfernten Seitenwand und für den Brennschacht 1 an der innenseitigen, d.h. gegen den Schacht 2 gerichteten Seitenwand angeordnet ist.

Der in Fig. 4 dargestellte Zweischachtofen ist in seinem Aufbau grundsätzlich gleich wie der Ofen in Fig. 1, weshalb gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Die mit C02 aus dem Entsäuerungsvorgang angereicherten Rauchgase 6 strömen aus der Brennzone B des Brennschachts 1 über Überströmkanäle 20 in den Gegenstromschacht 2, während die erwärmte Kühlluft 10 über einen zentralen Hohlzylinder 21 abströmt. Bei Öfen mit grossem Schachtdurchmesser werden zweckmässigerweise zwischen dem zentralen Hohlzylinder 21 und der Kühlzonenwand 22 dachförmige Kreuzgewölbe oder Balken 23 vorgesehen, die ein gleichmässiges Abziehen der vorgewärmten Kühlluft ermöglichen. Bei kleinerem Schachtdurchmesser wird über dem zentralen Hohlzylinder 21 eine Abdeckung 24 vorgesehen.

An einem Beispiel wird nachstehend die Wärmebilanz der Vorwärmezone V dargestellt:

Angenommen wird, dass

- die Entsäuerung des Kalksteins bei 810 °C beginnt, die Temperaturdifferenz zwischen Kalkstein und Rauchgas am Beginn der Brennzone B 30 °C und demnach die Temperatur der aus der Brennzone in die Vorwärmezone V eintretenden Rauchgase 840 °C beträgt,

- ein freies CaO von 94%,

- der Wärmeverlust der Ofenwände in der Vorwärmezone bei 10 kcal/kg Kalk und

- die Temperatur der aufgeheizten und aus der Kühlzone K abgeführten Kühlluft bei 800 °C liegt.

Die Kühlluftmenge wird mit 0,6 m3/kg Kalk angenommen. Sie wird vollständig abgeführt.

Die Kühlluft hat eine Ansaugtemperatur von 10 °C und nach der Verdichtung 40 °C.

Die Beheizung erfolgt mit Erdgas, der Wärmeverbrauch ist 4334 kJ/kg, die Verbrennung des Erdgases erfolgt mit einem theoretischen Luftbedarf von 1007 m3/kg und ergibt eine Rauchgasmenge von 1135 m3/kg. Dazu kommen 0,365 m3/kg ausgetriebenes C02, so dass die gesamte in die Vorwärmzone eintretende Rauchgasmenge 1,50 m3/kg Kalk beträgt und ihre Austrittstemperatur 100 °C ist.

Rauchgaswärme aus der Brennzone B 4,1855 • [1,50 X 0,397 X 840- 1,5 X100 X 0,349 - 10] =

1832,70 kJ/kg

Wärmebedarf für die Vorwärmung des Kalksteins 4,1855 • [1,74 X 0,260 X (310 - 10)] = 1514,81 kJ/kg

Wärme für die Vorwärmung der Verbrennungsluft 4,1855-[1,007X0,33 X(840-40)] = 1112,67kJ/kg

2627,48 kJ/kg

Wärmedefizit in der Vorwärmzone ohne Ausnützung der vorgewärmten Kühlluft 2627,48-1832,70 = 795,16 kJ/kg

Die abgeführte und aufgeheizte Kühlluft hat den Wärmeinhalt von 4,1855 • (0,60 X 0,33 X 800) = 662,98 kJ/kg. Davon gehen bei der Steinaufwärmung ausserhalb der Schächte bei einer angenommenen Luftaustrittstemperatur von 80 °C verloren 54,1855-(0,6X0,33 X 80)= 66,30 kJ/kg,

weiter für Wand- und

Leitungsverluste angen. 41,86 kJ/kg,

und für die Wasserverdampfung des Steins " 54,41 kJ/kg io Summe Verluste 162,57 kJ/kg

Es werden also vom Stein aufgenommen und wiedergewonnen 662,98 — 162,57 = 500,42 kJ/kg. Damit kommt man auf eine Kalksteinaufwärmung

15

500,42

1,74X0,26-4,1855

= 264,3 °C

20 Das Wärmedefizit der Vorwärmzone beträgt nach Hinzurechnung der rekuperativen Steinvorwärmung 795,16 — 500,42 = 294,37 kJ/kg, das durch erhöhte Brenn-stoffzufuhr ausgeglichen werden muss. Dieses Wärmedefizit in der Vorwärmzone nach dem beschriebenen Verfahren ist etwa 25 gleich gross wie beim reinen Regenerativ-Verfahren, bei dem bei der Verbrennung mit 20% Luftüberschuss, einer Kühlluftmenge von 0,6 m3/kg und einer Abgastemperatur von 80 °C etwa 268 kJ/kg auftreten.

Beim Regenerativ-Verfahren wird in gewissen Zeitabstän-30 den der Brennzyklus gewechselt. Nach dem beschriebenen Verfahren ist es wichtig, so zu steuern, dass der ausserhalb des Ofens rekuperativ vorgewärmte Kalkstein in den Schacht chargiert wird, in dem darnach die Verbrennung im Gleichstrom erfolgt, so dass die kalte Verbrennungsluft auf den vorgewärm-35 ten Kalkstein auftrifft.

Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens bestehen im wesentlichen darin, dass das Regenerativsystem des Ofens entlastet wird und sich dadurch wesentliche Verbesserungen in Bezug auf Betrieb, die Produktion und die Verwendbarkeit des 40 Ofens ergeben.

Vielfach stehen nur ungewaschene und stark verunreinigte und auch sehr nasse Kalksteine, wie z.B. kreideförmige Kalksteine mit 10-20% Wassergehalt, zur Verfügung. Dadurch er-45 geben sich Schwierigkeiten beim Transport des Materials in den Ofen, weil viel feines Material am Stein haften bleibt, das durch Sieben nicht abgetrennt werden kann und dabei den Ofengang beim Brennen nachteilig beeinflusst. Im Winter kommt hinzu, dass die nassen Kalksteinstücke zu grösseren Klötzen zusam-50 menfrieren und die Beschickung blockieren kann. Auch beim Wiegen des aufzugebenden Kalksteins ergeben sich Probleme, die unangenehm sind, wenn der Wassergehalt des Einsatzgutes infolge jahreszeitlicher Einflüsse starken Schwankungen unterliegt.

55 Die Feuchtigkeit des Kalksteins wird normalerweise vor dem Wiegen nicht gemessen, wohl aber sollte die zuzuführende Brennstoff menge dem Wassergehalt des Steins angepasst werden, wenn man eine gute und gleichmässige Kalkqualität erzeugen will. Dieser Nachteil wird durch Einbringen des vollkom-60 men getrockneten oder auf eine gleichmässige Feuchtigkeit vorgetrockneten Kalksteins beseitigt.

Durch die direkte Übertragung von Wärme aus dem Regenerationssystem abgeführten und durch den gebrannten Kalk aufgeheizten Kühlluft auf den zu chargierenden Kalkstein, bzw. 65 in einen Behälter auf dem Ofen, wird eine ähnlich gute Wärme-ausnützung wie in der Vorwärmzone des Regenerativsystems erreicht. Weiter kann das Unterkorn und besonders auch das

637 760 4

nunmehr getrocknete Feine vor dem Wiegen und vor der Auf- nen gewünschten oder auf einen maximal möglichen Wert eingäbe des Kalksteins in den Ofen von der zum Brennen vorgese- gestellt werden kann. Ein Vorteil des erfindungsgemässen Ver-henen Kalksteinkörnung leicht getrennt werden. fahrens ist auch dadurch gegeben, dass die Kühlluftmenge auf

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens wird die für die Kühlung des gebrannten Kalkes gewünschte Tempe-

dadurch eröffnet, dass z.B. auf einem Granulierteller durch Zu- 5 ratur begrenzt werden kann, also auf ca. 0,6 bis 0,7 m3/kg Kalk,

gäbe von Wasser hergestellte Pellets aus Kreidestein vor der denn unter klimatischen Bedingungen mit hoher Luftfeuchtig-

Beschickung in den Ofen mit aufgeheizter Kühlluft getrocknet keit und hoher Lufteintrittstemperatur in die Kühlzone erfolgt und gehärtet werden können. durch Hydratation des gebrannten Kalkes eine beachtliche

Eine Variante des Verfahrens besteht darin, dass die gesam- Temperatursteigerung des auszutragenden Kalkes; auch der te oder eine Teilmenge der in der Kühlzone des Ofens aufge- 10 Wärmeverbrauch wird dadurch erhöht, umsomehr, je grösser heizten Luft teilweise über einen Rekuperator geleitet wird und die Kühlluftmenge ist.

zur Vorwärmung der Verbrennungsluft auf eine Temperatur Das Gleichstrom-Brennverfahren ermöglicht wegen der von z.B. 150 °C oder 200 °C verwendet wird, entsprechend ei- Brennstoffzufuhr am Beginn der Entsäuerungszone eine sehr ner noch tragbaren Abgastemperatur. Dadurch kann mit Si- hohe Wärmebeaufschlagung, die nach den beschriebenen Ver-

cherheit, z.B. auch beim Anfahren des Ofens, eine für eine 15 fahren voll ausgeschöpft werden kann.

nachgeschaltete Entstaubungsanlage störende Taupunktunter- Da nach dem neuen Verfahren die Kühlluft jedoch nicht schreitung der Rauchgase verhindert werden. durch den Gegenstromschacht abzieht, wird das Druckgefälle zwischen den beiden Schachtköpfen reduziert, wodurch die

Eine weitere Variante des Verfahrens besteht in der Auftei- Wärmezufuhr und damit die Kapazität des Ofens um ca. 30 bis lung der aufgeheizten Kühlluft sowohl zur rekuperativen Vor- 20 50 % gesteigert werden kann.

wärmung des Brennguts als auch der Verbrennungsluft in der Die Zufuhr von Kühlluft und Verbrennungsluft erfolgt

Form, dass ein Teil der vorgewärmten Kühlluft der noch zusätz- zweckmässig mit Drehkolbengebläsen, so dass der Ofen unter lieh für die Verbrennung erforderlichen kalten Luft zugemischt Druck arbeiten kann. So wird die Umwälzung von staubhaltigen wird. Gasen in den Gebläsen vermieden. Vorteilhaft ist weiter, dass

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens durch vollkomme- 25 beim beschriebenen Verfahren keine Kühlelemente benötigt ne oder teilweise Abfuhr der aufgeheizten Kühlluft besteht auch werden.

darin, dass der Partialdruck der Kohlensäure im Abgas auf ei-

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

637 760

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Brennen von mineralischen karbonathal-tigen Rohstoffen im Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofen mit mindestens zwei Schächten (1,2), von denen abwechselnd der eine Schacht der im Gleichstrom betriebene Brennschacht und der andere Schacht der Gegenstromschacht ist bei gleichzeitiger Kühlung des gebrannten Rohstoffes in der Kühlzone (K) der Schächte, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den gebrannten Rohstoff in der Kühlzone (K) erwärmte Kühlluft am Ende der Kühlzone mindestens teilweise aus dem Ofen abgeführt und ihr Wärmeinhalt ausserhalb der Schächte (1,2) rekuperativ zur Vorwärmung der dem Ofen zuzuführenden Rohstoffe und/oder zur Vorwärmung der am oberen Ende der Vorwärmzone (V) zuzuführenden Verbrennungsluft ausgenützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Kühlluft an den Seitenwänden der Kühlzone (K) abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem viereckigen Gleichstrom-Regenerativ-Schacht-ofen die erwärmte Kühlluft des Gleichstromschachtes in der innenliegenden Seitenwand und die erwärmte Kühlluft des Ge-genstromschachtes an der aussenliegenden Seitenwand der Kühlzone (K) abgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Kühlluft in einem Gleichstrom-Regenerativ-Schachtofenmit kreisförmigem Schachtquerschnitt durch einen in der Kühlzone angeordneten zentralen Hohlzylinder (21) nach innen und unten abgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte Kühlluft durch einen freien Raum unterhalb von dachförmigen sich zwischen Seiten-Mauerwerk der Kühlzone und einem zentralen Hohlzylinder (21) kreuzförmig erstrek-kenden Gewölben oder Balken (23) und weiter durch das Innere dieses Hohlzylinders nach unten abgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft am untern Ende eines sich unmittelbar über den Ofenschächten (1, 2) befindenden Rohstoffbehälters (18) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft zur Vorerwärmung des Rohstoffes ausserhalb des Ofens und/oder zur Vorwärmung der Verbrennungsluft in einem Rekuperator (15) verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwärmte und aus dem Ofen abgeführte Kühlluft mindestens teilweise mit kalter Verbrennungsluft gemischt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ausserhalb des Ofens rekuperativ vorgewärmte Rohstoff vollkommen oder auf einen gleichmässigen Feuchtigkeitsgehalt vorgetrocknet in den Gleichstrom-Regenerativ-Ofen aufgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Menge der abgeführten und erwärmten Kühlluft der C02-Gehalt der aus dem Gleichstrom-Regenerativ-Ofen abziehenden Abgase geregelt wird.

25