DE19613570A1 - Verfahren und Einrichtung zum Ausbrennen von Ofengasen in Schachtschmelzöfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum vollständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen in Schachtschmelzöfen, die mit primären Energieträgern, wie Öl, Gas oder Koks, befeuert werden.

Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, daß zum Schmelzen von festen metallischen Einsatzstoffen bei mit Öl, Gas oder Koks befeuerten Schmelzöfen diese Energieträger durch das Verbrennungsmittel Luft oder in speziellen Fällen durch reinen Sauerstoff oder durch mit Sauerstoff angereicher­ ter Luft verbrannt werden. Dabei treten durch thermodynamische und kinetische Faktoren bestimmte verbrennungstechnische und metallurgische Reaktionen hauptsächlich zwischen den Phasen Gas-Gas, Gas-Schmelze, Gas-Feststoff, Schmelze-Schmelze und Schmelze-Feststoff auf, die bei Anwesenheit kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe heiße, CO-haltige Ofengase bilden. Diese strömen unter Abgabe ihrer fühlbaren Wärme durch die Schüttung der auf­ zuschmelzenden, festen Einsatzstoffe und müssen vor dem Aus­ tritt aus dem Schmelzofen in die Umgebungsatmosphäre so ausge­ brannt werden, daß keine die Umweltschutzgrenzwerte überschrei­ tenden Schadstoffe abgegeben werden. Die Effektivität des Aus­ brennens ist aber von prozeß- und ofenspezifischen Randbedin­ gungen und dem strukturellen Aufbau der vom den Einsatzstoffen gebildeten Schüttung abhängig. Solche Randbedingungen sind die Temperatur- und Volumenzündgrenze, die Strömungsgeschwindigkei­ ten und die Dichte- bzw. Viskositätsverhältnisse der Ofengas­ komponenten untereinander, welche zur Strähnenbildung führen. Weiterhin werden diese prozeß- und ofenspezifischen Randbedin­ gungen durch technologisch oder produktionsorganisatorisch be­ dingte Betriebsweisen des Schmelzofens, wie dem "Anschmelzen" zu Beginn einer Schmelzreise, dem Schmelzen mit nominaler Schmelzleistung oder mit starken Abweichungen davon, dem Char­ gierungsvorgang oder dem "Abschmelzen" zum Ende einer Schmelz­ reife beeinflußt. Alle Betriebsweisen können zu Abweichungen von den optimalen Randbedingungen führen, die aber für ein ef­ fektives Ausbrennen der unverbrannten Ofengaskomponenten not­ wendig sind. Praktisch treten also während einer Schmelzreise solche Zeiträume auf, in denen kein effektives, vollständiges Ausbrennen CO-haltiger Ofengase möglich ist und damit die Um­ weltschutzgrenzwerte für die Emission von Schadstoffen über­ schritten werden.

In DE 43 24 699 C2 werden beispielsweise ein Verfahren und eine Einrichtung zur vollständigen Nachverbrennung von Ofengasen in einem koksbeheizten Schachtofen beschrieben, bei dem die im Schachtofen entstehenden, nur unvollständig ausgebrannten staubhaltigen Ofengase aus einer Abzugsebene oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone im Bereich der Vorwärmzone mit­ tels einer Absaugeinrichtung, beispielsweise einem Gasstrahl­ verdichter, aus dem Schachtofen vollständig abgezogen werden, dann in zwei Stufen mit Sauerstoff in einer extern vom Ofen an­ geordneten Brennkammer der Absaugeinrichtung unter Zumischung eines vollständig ausgebrannten und auf Temperaturen kleiner 200°C abgekühlten Ofengases vollständig nachverbrannt und in die Schüttung wieder zugeführt werden. Alternativ zum mit reinem Sauerstoff betriebenen Gasstrahlverdichter kann die zweite Stufe der externen Nachverbrennungskammer als Sauerstoffbren­ ner, z. B. als Heißgasbrenner, ausgebildet sein und auf der Druckseite des Ventilators mit der Abgasleitung verbunden wer­ den. Außer einer vollständigen Verbrennung der unverbrannten Ofengasbestandteile über den gesamten Schachtquerschnitt des Schmelzofens erfolgt eine optimale Vorwärmung der Schüttsäule oberhalb der Wiederzuführungsebenen der vollständig ausgebrann­ ten Gase. Dies führt zu einer erhöhten energetischen Effektivi­ tät des Vorwärmprozesses, zu einer Rückführung von Ofengas­ staubanteilen in die Schüttung, zu einer Verringerung der in der Entstaubung zu verarbeitenden Menge Gichtgas und damit zu einer Minimierung der Gaswirtschaft incl. der Entstaubung. Nachteilig sind jedoch der hohe technische und regelungstechni­ sche Aufwand für die zweistufige Nachverbrennungskammer und der hohe Investitionsaufwand zur Einführung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Weiterhin ist durch EP 0 544 044 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen einer Charge im Ofen mit ei­ ner Nachverbrennung der Abgase im oberen Ofenteil durch Einbla­ sen eines Sauerstoffgases mittels Lanzen, die in einer horizon­ talen Ebene tangential zur Ofenachse einander entgegengesetzt angeordnet sind, bekannt. Nachteilig ist hier, daß durch die gewählte Anordnung der Sauerstofflanzen nur im Randbereich des Ofenschachtes günstige Verwirbelungen von Sauerstoff und Ofen­ gasen möglich sind und damit die Ofengasbestandteile über den Schachtquerschnitt nicht effektiv ausbrennen können. Der Erfin­ dung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum vollständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofen­ gasen in Schmelzöfen, die mit primären Energieträgern, wie Öl, Gas oder Koks, gefeuert werden, zu schaffen, die mit geringen Kosten und minimalem technischen und regelungstechnischen Auf­ wand ein vollständiges Ausbrennen der Ofengase über den Schachtquerschnitt bei allen prozeß- und ofenspezifischen Rand­ bedingungen sowie allen Betriebsweisen garantieren. Erreicht wird dies dadurch, indem außerhalb des Schachtschmelzofens ein geregeltes Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisch mit einer Luftzahl größer/gleich 1 gebildet wird, dann in eine oberhalb der Chargieröffnung in der Ausmauerung des Ofenschachtes lie­ gende Brennkammer eingeblasen und durch Zündung vollständig ausgebrannt wird. Kennzeichnend ist auch, daß das Brennstoff- Verbrennungsmittel-Gasgemisch aus Ofengasen und einem alterna­ tiven Brennstoff, wie z. B. Erdgas, Öl, oder Festbrennstäuben und/oder einem Verbrennungsmittel, beispielsweise Luft, Sauer­ stoff oder sauerstoffangereicherter Luft gebildet wird. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch charak­ terisiert, daß eine oberhalb der Chargieröffnung angeordnete Brennkammer außenseitig am Schachtschmelzofen über einen Strahlsauger mit einer Mischkammer verbunden ist und direkt in die Mischkammer eine mit der Ofengasabsaugöffnung verbundene Rohrleitung, eine Rohrleitung für die Zuführung alternativer Brennstoffe und eine Treibdüse für ein Treibgas führen. Die Brennkammer besteht vollständig oder zum Teil aus einem feuer­ festen Material und ist ofenseitig mit einem Überstand von bis zu 100 mm zur Ausmauerung des Ofenschachtes angeordnet. Durch die Zuführung von Ofengasen in die Mischkammer zur Bildung ei­ nes Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisches verringern sich die Strömungsgeschwindigkeiten der Ofengase in der Schüttung. Damit entsteht der Vorteil, daß sich die Neigung zur Strähnen­ bildung der Ofengase verringert und sich das Mischungsverhalten der Ofengase und der durch die Chargieröffnung in den Ofen­ schacht einfallenden kalten Falschluft der Umgebung verbessert. Der vom Strahlsauger erzeugte Saugdruck an der Ofengasabsaug­ öffnung ermöglicht einen Transport der Ofengase in die Misch­ kammer ohne mechanisch bewegte Transporteinrichtungen, wie z. B. Lüfter. In der Mischkammer wird in Abhängigkeit von der Tempe­ ratur und des CO-Gehaltes der zugeführten Ofengase zwecks Bil­ dung eines zündfähigen Gasgemisches alternativer Brennstoff, z. B. Erdgas, und ein Verbrennungsmittel, z. B. Luft, zugemischt. Dann wird das Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisch durch die Wirkungsweise des Strahlsaugers mit einer Luftzahl grö­ ßer/gleich 1 in die Brennkammer des Schachtschmelzofens einge­ blasen. Hier erfolgt die Zündung des Gasgemisches durch ein elektrisches Zündpotential, beispielsweise durch Zündelektro­ den. Nach einer Aufheizung der Brennkammer auf Temperaturen größer der Zündtemperatur des Gasgemisches erfolgt nach einem Schmelzunterbrechung und dem erneuten Anschmelzen die Zündung des Gasgemisches alternativ, d. h. automatisch durch die heiße Brennkammer. Die Flamme in der Brennkammer wirkt gleichzeitig als Stützbrenner für die bei instabilen Verhältnissen, wie z. B. nach der Chargierung, aus der Schüttung austretenden unver­ brannten Ofengase. Sowohl bei stabilen als auch bei instabilen thermodynamischen, kinetischen, prozeß- und ofenspezifischen Randbedingungen wird damit ein vollständiges Ausbrennen der Ofengase gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung sind technisch und regelungstechnisch einfach und ermöglichen ein kostengünstiges, von den Randbedingungen unab­ hängiges vollständiges Ausbrennen von CO-haltigen Ofengasen. Die Effektivität der Heißwinderzeugung in den nachgeschalteten Heißwinderzeugern, wie beispielsweise Radiatoren, wird verbes­ sert, und die Forderungen der Umweltschutzgesetzgebung werden sicher bei allen Betriebszuständen eingehalten. Die Einrichtung ist so gestaltet, daß ein Nachrüsten vorhandener Schacht­ schmelzöfen ohne Schwierigkeiten möglich ist. Die Treibluft des Strahlsaugers wird durch herkömmliche Lüfter erzeugt und be­ reitgestellt. Alternativ kann der Strahlsauger auch mit sauer­ stoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff als Treibgas betrieben werden.

Die Erfindung soll am Beispiel des Ausbrennens CO-haltiger Ofengase in einem koksgefeuerten Heißwindkupolofen näher erläu­ tert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung des koksbeheizten Heißwindkupolofens mit einer er­ findungsgemäßen Einrichtung. Es ist dargestellt, daß eine ober­ halb der Chargieröffnung 14 in der Ausmauerung des Ofen­ schachtes 2 angeordnete Brennkammer 13 außenseitig am Schacht­ schmelzofen über einen Luftstrahlsauger 8 mit einer Mischkammer 12 verbunden ist, und direkt in die Mischkammer 12 eine mit der Ofengasabsaugöffnung 3 verbundene Rohrleitung 4, eine Rohrlei­ tung 11 für die Zuführung alternativer Brennstoffe und eine Treibdüse 10 für ein Treibgas führen. Zur Regelung des in die Mischkammer 12 zuzuführenden Ofengases aus der Ofengasabsaug­ öffnung 3 hat die Rohrleitung 4 eine Regelklappe 5, eine Ventu­ ridüse 6 und einen Kompensator 7. Die Brennkammer 13 besteht vollständig aus einem feuerfesten Material. Ofenseitig ist die Brennkammer 13 mit einem Überstand von 70 mm zur Ausmauerung des Ofenschachtes angeordnet. Der Heißwindkupolofen hat eine lichte Weite von 1120 mm und arbeitet mit einer nominellen Schmelzleistung von 8 t Flüssigeisen/h. Bei einem Kokssatz von 15% und einem Kalksteinsatz von 36% des Kokssatzes entstehen mit einer Verbrennungswindmenge von 6492 m3/h, die über die Winddüsen im Bereich der Schmelzzone zugeführt wird, eine Ofen­ gasmenge von 7540 m³/h. Das Ofengas besteht aus 17% CO, 11,5% CO2, 0,8% H2, 2,6% H2O und 68,1% N2. Durch die Lufttreibdüse 10, die mit einem Lüfter 9 verbunden ist, werden 1854 Nm3 Luft der Mischkammer 12 zugeführt und der Luftstrahlsauger 8 in Be­ trieb genommen. Gleichzeitig erfolgt durch die Rohrleitung 11 eine Zuführung von 10 m³ Erdgas/h, und durch die Rohrleitung 4 werden unverbrannte Ofengase in die Mischkammer 12 zur Bildung eines Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisches eingebracht. Die Gasgemischmenge beträgt 5258 m³, hat eine Temperatur von 169°C und besteht aus 7,37% O2, 10,98% CO, 0,54% H2, 7,4% CO2, 0,19% CH4 und 73,52% N2 + H2O. Dieses Gasgemisch wird dann vom Luftstrahlsauger 8 mit einer Geschwindigkeit von 33 m/s in die Brennkammer 13 eingeblasen und durch eine nicht dar­ gestellte Zündelektrode elektrisch gezündet. Das dabei entstehende vollständig ausgebrannte Abgas mit einer Zusammensetzung von 19,6% CO2, 2,5% H2O, 1,5% O2 und 76,4% N2 heizt bei ei­ nem längeren Betrieb das Feuerfestmaterial der Brennkammer 13 auf < 800°C auf, so daß die Brennkammer 13 nach technologischen oder produktionsorganisatorischen kurzen Schmelzunterbrechungen alternativ als Zündpotential zur Verfügung steht. Durch die Zu­ führung von Ofengasen in die Mischkammer 12 verringert sich die im Ofenschacht 2 aus der Schüttungsoberfläche austretende Ofen­ gasmenge. Dies führt wiederum zur Verringerung der Ofengasge­ schwindigkeiten und somit zur intensiveren Vermischung und vollständigen Verbrennung mit der durch die Chargieröffnung 14 in den Ofenschacht 2 einfallenden Falschluft.

Bezugszeichenliste

1 Füllstandsanzeige
2 Ofenschacht
3 Ofengasabsaugöffnung
4 Rohrleitung
5 Regelklappe
6 Venturidüse
7 Kompensator
8 Strahlsauger
9 Lüfter
10 Treibdüse
11 Rohrleitung
12 Mischkammer
13 Brennkammer
14 Chargieröffnung

Claims (7)

1. Verfahren zum vollständigen Ausbrennen von CO-haltigen Ofen­ gasen in Schachtschmelzöfen, die mit primären Energieträgern, wie Öl, Gas oder Koks, befeuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Schachtschmelzofens ein geregeltes Brenn­ stoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisch mit einer Luftzahl grö­ ßer/gleich 1 gebildet wird, dann in eine oberhalb der Chargier­ öffnung liegenden Brennkammer eingeblasen wird und durch Zün­ dung vollständig ausgebrannt wird.

2. Verfahren zum vollständigen Ausbrennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Verbrennungsmittel-Gasgemisch aus Ofengasen und einem alternativen Brennstoff, wie z. B. Erdgas, Öl oder Festbrennstoffstäuben und/oder einem Ver­ brennungsmittel, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder sauer­ stoffangereicherter Luft gebildet wird.

3. Verfahren zum vollständigen Ausbrennen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Verbrennungsmit­ tel-Gasgemisch bei Temperaturen < der Zündtemperatur, durch Zündung mittels eines elektrischen Zündpotentials, beispiels­ weise durch Zündelektroden, ausgebrannt wird.

4. Verfahren zum vollständigen Ausbrennen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoff-Verbrennungsmit­ tel-Gasgemisch nach einer Aufheizung der Brennkammer auf Tempe­ raturen größer der Zündtemperatur des Gasgemisches automatisch durch die heiße Brennkammer gezündet und ausgebrannt wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oberhalb der Chargier­ öffnung (14) in der Ausmauerung des Ofenschachtes (2) angeord­ nete Brennkammer (13) außenseitig am Schachtschmelzofen über einen Strahlsauger (8) mit einer Mischkammer (12) verbunden ist, und direkt in die Mischkammer (12) eine mit der Ofengasab­ saugöffnung (3) verbundene Rohrleitung (4), eine Rohrleitung (11) für die Zuführung alternativer Brennstoffe und eine Treib­ düse (10) für ein Treibgas führen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (13) ofenseitig mit einem Überstand von bis zu 100 mm zur Ausmauerung des Ofenschachtes (2) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (13) vollständig oder zum Teil aus einem feuerfesten Material besteht.