DE3242508A1

DE3242508A1 - Vorrichtung zum schnellbrand von thermisch vorbehandeltem feinkoernigen gut

Info

Publication number: DE3242508A1
Application number: DE19823242508
Authority: DE
Inventors: Horst 5202 Hennef Herchenbach; Eberhard 4000 Düsseldorf Steinbiß
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1982-11-18
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1984-05-24
Also published as: GB8330806D0; FR2536517A1; DK526683A; DK526683D0; US4517020A; JPS59112180A; GB2130350A; BR8306225A

Description

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Anlage zum Patentgesuch der

Klöckner-Humboldt-Deutz

Aktiengesellschaft

vom 05. November 1982

Vorrichtung zum Schnellbrand von thermiscn voroehandeltem feinkörnigem Gut

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schnellbrana von thermisch vorbehandeltem, insbesondere kalziniertem, feinkörnigem Gut zu Zementklinker, mit einem thermischen Reaktor, umfassend einen Brennraum mit einer Flamme sowie eine einrichtung zum Eintragen des Gutes im Gleichstrom mit und im Bereich der Flamme.

übliche moderne und industriell angewendete Brennvorrichtungen zur Zementherstellung umfassen einen Schwebegas-Wärmetauscher, worin Rohmehl im Gegenstrom zu heißen Gasen durch diese vorgewärmt und unter Brennstoffzugabe weitgehend kalziniert wird, sowie einen Drehrohrofen, worin das thermisch vorbehandelte Gut im Gutbett relativ langsam auf Sinterxemperarur aufgeheizt und im üegenstrom zu Flammengasen eines Brenners bis zum Garbrand erhitzt und gesintert wird.

Es wurde schon früh erkannt (DE-PS 337 312 vom Mai 1921), daß man, um eine bessere und schnellere Ausnutzung der Flammengase herbeizuführen, für eine innige Berührung zwischen Flamme und Gut sorgen muß.

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Zur Lösung wurde ein geteilter Drehrohrofen vorgeschlagen, dessen Sinterteil langsamer umläuft als der andere Teil, wobei der zum Erwärmen bis dicht an den Sinterungspunkt dienende Ofen mit so hoher Geschwindigkeit umläuft, daß das Gut bis dicht an den Scheitel des Ofens gehoben wird und von dort frei durch den Ofenquerschnitt herabfällt. Infolge übermäßigen Staubanfalles und Verschleiß wurde dis Vorrichtung jedoch nicht realisiert.

-v Die Erkenntnis, daß es aus energetischen und reaktionskinetischen Gründen vorteilhaft ist, die Aufheizung in der Temperaturspanne zwischen ca. 900 ⁰C nach dem Kalzinieren des Rohmehls und dem Garbrano bei ca. 1350 bis 1450 ⁰C mit möglichst hohen Aufheizyradienten zu vollziehen, hat beispielsweise (DL-PS 97 409) zu einem Vorschlag für ein sogenanntes Schnellorennen gefünrt, und zwar besteht'dieser darin, daß in einem Reaktor das staubförmige beziehungsweise agglomerierte Gemenge in einer Wirbelschicht schnell aufgeheizt und bis zum Garbrand gesintert wird. Die genannte Schrift enthält die Lehre, daß es außerordentlich vorteilhaft ist, feinkörniges Gut im Temperaturbereich zwischen etwa 1100 und 1300 ⁰C mit _v~^5 extrem hohen Aufheizgradienten zu brennen. Als Vorteil wird eine Senkung der Garbrandzeit um etwa 70 % angegeben mit daraus resultierenden positiven Auswirkungen, zum Beispiel durch mögliche Verkleinerung des Garbrandreaktors, oder eine Erhöhung seines Durchsatzes beziehungsweise Durchführung des Garbrandes bei niedrigeren Temperaturen mit üblichen Verweilzeiten.

Diese Vorteile ergeben sich bei extrem hohen Aufheizgradienten insbesondere durch Vermeidung von Desaktivierung beim zu brennenden Gut.

Eine konkrete technische Lehre, wie eine für diese schnelle Aufheizung geeignete Vorrichtung ausgestaltet und/oder

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beschaffen sein soll, ist der genannten Schrift jedoch nicht zu entnehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Schnellbrand von thermisch vorbehandeltem insbesondere kalziniertem feinkörnigem Gut anzugeben, welche es problemlos ermöglicht, die Aufheizung im Temperaturgebiet beispielsweise zwischen etwa 850 ⁰C und dem Beginn der Sinterreaktion bei ca. 1250/1350 ⁰C mit extrem hohen Aufheizgradienten ohne die Nachteile von Staubanfall und Verschleiß durchzuführen. Dabei soll das heiße Rohmehl möglichst weit in die Brennzone des thermischen Reaktors gefördert und möglichst gleichmäßig über das Volumen des Brennraumes insbesondere in der Strahlungs- und Konvektionszone der Flamme verteilt werden.

Zur Lesung der Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, umfassend einen thermischen Reaktor mit einem Brennraum und einer Flamme sowie eine Einrichtung zum Eintragen des Gutes im Gleichstrom mit und im Bereich der Flamme, vorgeschlagen, daß die Eintragsvorrichtung einen in den Bereich des Brennraumes einmündenden Fallschacht umfaßt, in dessen Mündungsbereich eine Prallplatte angeordnet ist, welche das im wesentlichen unter Schwerkraft mit kinetischer Energie einschießende heiße Gut in eine Richtung annähernd gleichlaufend mit der Flamme umlenkt und dabei auflockert.

Hierdurch wird mit Vorteil erreicht, daß Heißmehl in der Schwebe annähernd gleichlaufend mit der Flamme in die heißeste Zone des Brennraumes gelangt, wobei infolge Auflockerung der Feststoffpartikel in Form einer Pulverwolke die sehr hohe aktive Oberfläche zu einer extrem schnellen Aufheizung des Gutes führt. Dieses vorteilhafte Ergebnis wird zusätzlich durch eine innige Vermischung von

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Heißmehl und Flammengasen unterstützt, was zur Folge hat, · daß der Aufheizvorgang in der erwähnten Temperaturspanne zwischen annähernd 850 und 1250/1350 ⁰C sowie zumindest ein Teil des Sintervorganges weitgehend in der Schwebe mit hohen und höchsten Temperaturgradienten vollzogen wird.

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht dabei vor, daü sich die Prallplatte im stumpfen Winkel zur Achse des Fallschachtes im wesentlichen über die in axialer Richtung gesehene Projektion des Schachtquerschnittes erstreckt.

Hierdurch wird mit Vorteil eine weitgehende Auflockerung des im Kollektiv einschießenden Gutstromes erzielt.

Eine optimale innige Vermischung von Heißmehl und Flamme wird dadurch erreicht, daß die Eintragsvorrichtung oberhalb der Flamme in den Brennraum einmündet.

Um die Zerstäubung des einschießenden mehlförmigen Gutes zu einer möglichst homogenen Flugstaubwolke zu unterstützen, und um gleichzeitig zu verhindern, daß einschießendes heißes Rohmehl beim Auftreffen auf die Prallplatte starke Erosionserscheinungen hervorruft, wird in Ausgestaltung der Vorrichtung weiter vorgeschlagen, daß im Mündungsbereich des Fallschachtes dicht oberhalb der Prallplatte von hinten eine Zuführung für ein Ejektionsgas einmündet, ~deren Achse annähernd parallel zur Flamme verläuft, und die an eine Druckgasquelle angeschlossen ist.

Durch diese Einrichtung wird Ejektionsgas zwischen dem einschießenden Gutstrom und die Prallplatte als pneumostatischer Schutzfilm eingeblasen und trennt bei entsprechender Einstellung von Menge und Druck des Gases Feststoffteilchen und Prallplatte. So wird sehr vorteilhaft das Verschleißproblem der Prallplatte unter Kontrolle gehalten.

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Hierbei ist in zweckmäßiger Ausgestaltung weiter vorgesehen, daß der Mündungsbereich der Eintragsvorrichtung zu einer trichterförmigen Erweiterung ausgestaltet ist, die in ein flaches, im Verhältnis zur Weite der Öffnung um ein Mehrfaches weiteres Mundstück ausmündet.

Diese Ausgestaltung ergibt insbesondere dann besonders günstige Strömungsverhältnisse, wenn nach einem weiteren Vorschlag von hinten in das Mundstück wenigstens zwei, vorzugsweise drei Zuführungen für Ejektionsgas einmünden.

Eine erfindungswesentliche Ausgestaltung sieht vor, daß die Vorrichtung an wenigstens eine Zuführung für Brennstoff angeschlossen und als Brenner ausgebildet ist.

Hierdurch wird sehr vorteilhaft eine optimale Mischung der beiden Komponenten Heißmehl und Brennstoff beim gemeinsamen Eintrag in den Brennraum erreicht.

Infolge der hohen Temperatur (ca. 800 bis 900 ⁰C) des Heißinehles wird zudem der Brennstoff spontan gezündet, wobei die freiwerdende Wärme insbesondere durch direkten Kontakt und Strahlung unmittelbar an die einzelnen Partikel der Flugstaubwolke übergeht.

Dadurch wird.der Wärmeübergang, verglichen mit den Verhältnissen bei einem geschlossenen Gutbett im Drehrohrofen, signifikant verbessert.

Infolge der günstigeren Wärmeübertragungsverhältnisse wird Energie gespart und demzufolge die Abgastemperatur gesenkt.

Und schließlich entfällt der Brenner und wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt, wodurch bei gleichzeitiger Verbesserung des Brennverlaufes eine erhebliche Vereinfachung der Vorrichtung erreicht wird.

Hierbei kann es von Vorteil sein, daß bei der als Brenner ausgebildeten Vorrichtung ein Zündbrenner im Bereich der Mündung angeordnet ist. Dieser wird jedoch nur im

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Anfahrvorgang benötigt, solange das einschießende Gut noch nicht die Zündtemperatur erreicht hat.

Ein ähnlicher, beziehungsweise alternativer Vorschlag zui Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß die Zuführung beziehungsweise Zuführungen für Ejektionsgas mit Einrichtungen zur Mischung des Gases mit Brennstoff ausgestattet oder an eine Brennstoffquelle wie beispielsweise eine Erdgasquelle angeschlossen sind. ,->, Hierfür kommt prinzipiell jede Art von Brennstoff in Betracht, wie zum Beispiel in gasförmiger, flüssiger oder fester Form bei geeigneter Zumischung zum Ejektionsgas.

Um die Vorrichtung nach der Erfindung vor Einwirkung starker Strahlungshitze oder überhitzung durch das geförderte Gut zu schützen, ist weiter vorgesehen, daß der Fallschacht wenigstens streckenweise, insbesondere im Bereich des Brennraumes, im Abstand von .einem Kühlmantel umschlossen ist, derart, daß sich zwischen den Wandungen des Fallschachtes und dem Kühlmantel ein Strömungsweg für ein Kühlmedium ergibt, und daß dieser an eine Quelle für das Kühlmedium angeschlossen ist.

Zweckmäßig kann dabei der Strömungsweg für das Kühlmedium dicht oberhalb der Prallplatte zu dieser hin eine Austrittsöffnung für das Kühlmedium freigeben. Dadurch wird sehr vorteilhaft erreicht, daß Kühlmedium als vorgewärmtes Gas oberhalb der Prallplatte in Richtung der Mündung austritt und dabei die Wirkung des Ejektionsgases unterstützt oder dessen Funktion übernimmt.

Im folgenden wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher dargestellt und erläutert. /

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Es zeigen:

Fig.	1
Fig,	2/2a
und Fig,	3/3a
Fig.	4

eine Vorrichtung im kühlerseitigen Ende eines Drehrohrofens mit einem Brenner, im Schnitt;

trichterförmige Ausbildungen des Mündungsbereiches der Vorrichtung mit und ohne Zuführungen für Ejektionsgas, teils in Ansicht, teils im Schnitt,

das in den Brennraum ragende Ende des Fallschachtes mit einem Kühlmantel, im Schnitt,

Fig. 5/5a eine als Brenner ausgebildete

Eintragsvorrichtung mit Zuführungen für Brennstoff, Brennluft und Heißmehl, im Schnitt (Fig. 5) und in Vorderansicht (Fig. 5a),

Die Eintragsvorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt den Fallschacht 1, welcher an eine untere Stufe eines Schwebegasvorwärmers beziehungsweise an einen Kalzinator angeschlossen ist. Thermisch vorbehandeltes und weitgehend kalziniertes Gut tritt im Strom gemäß Pfeil 2 mit ca. 850 bis 900 C in den Fallschacht 1 von oben ner ein und erreicht unter Einfluß seiner Schwerkraft sowie infolge seiner extrem guten Fließfähigkeit bis zum Austritt aus dem Fallschacht eine relativ hohe Fließgeschwindigkeit. Der außerhalb des Brennraumes 3 beziehungsweise außerhalb des Kühlerschachtes 4 annähernd senkrecht verlaufende Teil des Fallschachtes 1 ist kurz vor seinem Eintritt in den Brennraum 3 in einem spitzen Winkel zur Vertikalen abgeknickt und durch die brennerseitige Abschlußwand 5 des Drehrohrofens 3' hindurchgeführt beziehungsweise daran

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befestigt. Der Mündungsbereich 7 ragt oberhalb eines Brenners 8 in den Brennraum 3 des Drehrohrofens 3¹ hinein. Dabei verläuft die Mündungsebene 7' der Eintragsvorrichtung annähernd parallel mit der Mündungsebene 8¹ des Brenners 8. Im Mündungsbereich 7 der Eintragsvorrichtung ist die Prallplatte 11 im stumpfen Winkel zur Achse des in den Drehrohrofen 3¹ ragenden Teiles I¹ des Fallschachtes 1 annähernd horizontal so angeordnet, daß sie die in Richtung dieser Achse gesehene Projektion des Strömungsquerschnittes ,■-.. des Fallschachtteiles 1' überdeckt, wie beispielsweise aus '"" der Darstellung gemäß Fig. 4 im vergrößerten Maßstab deutlich erkennbar.

Durch Anordnung der Prallplatte wird bewirkt, daß einschießendes Gut in die Richtung der Flamme12 des Brenners 8 umgelenkt und dabei zu einer Wolke 13 von Schwebeteilchen aufgelockert wird. Dadurch erfolgt eineinnige Vermischung von Flamme 12 und Scnwebeteilchen 13, wodurch mit Vorteil eine Aufheizung mit extrem hohen Gradienten und eine hohe Reaktivität des Gutes erreicnt wird.

Wegen der hohen Temperaturen des Gutes sowie der Flammenstrahlung ist der Fallschacht-Teil 1" mit einem ,Jj' Schutzmantel 14, beispielsweise aus Feuerfestmaterial, umgeben.

Fig. 2/2a und Fig. 3/3a zeigen den Mündungsbereich 7 des Fallschachtes I¹ mit seinem ofenseitigen Ende 1' an der Stelle des Durchtritts durch die Wand 5. Die Darstellung zeigt eine trichterförmige Erweiterung zur Mündung 7' mit der Form einer flachen Tülle. Deren Öffnung ist wesentlich breiter als seine Höhe. Dabei zeigt Fig. 3/3a eine Ausführung mit Zuleitungen 9 für Ejektionsgas.

Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung des Fallschachtendes I¹ mit einem umgebenden Kühlmantel 15. Zwischen der

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Innenwandung 15' des Kühlmantels 15 und der Wand 16 des Fallschachtes 1' wird ein Strömungsweg 18 für ein Kühlmedium, gebildet. Als solches kommt beispielsweise Luft in Frage. Dieser Strömungsweg 18 hat eine Austrittsöffnung 17 oberhalb der Prallplatte 11. Die dort austretende angewärmte Kühlluft, angedeutet durch den Pfeil 19,wird gleichzeitig als Ejektionsluft verwendet und dient zur Beschleunigung des Gutstromes sowie zum Verschleißschutz der Prallplatte 11.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Brenner zeigt die Fig. 5/5a. Dabei ist die Vorrichtung in Austragsrichtung gesehen von hinten an zwei konzentrische Leitungen 20 und 21 angeschlossen. Der Mündungsbereich 7' besitzt einen Durchmesser, der demjenigen der Leitung 21 entspricht. Darin ist eine Prallplatte 11 in Form eines ZylJndermantelabschnittes eingesetzt. Die von hinten angeschlossene Leitung 21 dient zum Zuführen von Brenn- und Ejektionsluft und umgibt unter Bildung eines Strömungskanales 21' die innere Leitung 20, die zum Zuführen von Kohlenstaub mit einem Trägergas vorgesenen ist. Im Mündungsbereich 7¹ treffen und vermischen sich der Strom 22 des aus dem Fallschacht I¹ eingetragenen Heiligutes mit vorgewärmter Brennluft, entsprechend den Pfeilen 23 und Brennstoff gemäß Pfeil 24. Hierbei ergibt sich eine ideale Mischung von Brennstoff und Brenngut, die sich insbesondere in der Flamme und unmittelbar nach Eintritt in den Drehrohrofen 3' vereinigen. Dabei wird das Gut mit hohen und höchsten Temperaturgradienten aufgeheizt und geg-jbenenfalls bis zur Klinkerbildung gebrannt. Anschließend fällt das Gut aus dem Gas aus und sammelt sich als Gutbett im Drehrohrofen 3'. Entsprechend der Neigung des Drehrohrofens 3¹ wird das Gutbett im Gegenstrom zum Gasdurchsatz zurückgefördert und nach vollständiger Temperierung zu Klinker in den Kühler ausgetragen.

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Claims

16. November 1982 " : - : . . · KHD

Gr/Ju ■'" " ' " - -^:-H 82/59

Patentansprüche

¹IJ. Vorrichtung zum Schnellbrand von thermisch vorbehandeltem, insbesondere kalziniertem feinkörnigem Gut zu Zementklinker, mit einem thermischen Reaktor umfassend einen Brennraum mit einer Flamme sowie eine Einrichtung zum Eintragen des Gutes im Gleichstrom mit und im Bereich der Flamme, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragsvorrichtung f\ einen in den Bereich des Brennraumes (3) einmündenden Fallschiacht (1, I¹) umfaßt, in dessen Mündungsbereich (7, 7') eine Prallplatte angeordnet ist, welche das im wesentlichen unter Schwerkraft mit kinetischer Energie einschießende heiße Gut in eine Richtung annähernd gleichlaufend mit der Flamme (12) umlenkt und dabei auflockert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Prallplatte (11) im stumpfen Winkel zur Achse des Fallschachtes (I¹) im wesentlichen über die in axialer Richtung gesehene Projektion des Schachtquerschnittes erstreckt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintragsvorrichtung im spitzen Winkel zur Vertikalen oberhalb der Flamme (12) in den Brennraum (3) einmündet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Mündungsbereich (7, 7') des Fallschachtes (I¹) dicht oberhalb der Prallplatte (11) von

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hinten eine Zuführung (9) für ein Ejektionsgas einmündet, deren Achse annähernd parallel zur Flamme (12) verläuft, und die an eine Druckgasquelle angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsbereich (7, 7¹) der Eintragsvorrichtung eine trichterförmige Erweiterung aufweist, die in ein flaches, im Verhältnis zur Höhe der Öffnung um ein mehrfach breiteres Mundstück (7¹) ausläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von hinten in das Mundstück (7¹) wenigstens zwei, vorzugsweise drei Zuführungen (9) für Ejektionsgas einmünden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung an wenigstens eine Zuführung (20) für Brennstoff angeschlossen und als Brenner ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der als Brenner ausgebildeten Vorrichtung ein Zündbrenner im Bereich der Mündung (7) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung beziehungsweise Zuführungen (9) für Ejektionsgas mit Einrichtungen zur Misch-jng des Ejektionsgases mit Brennstoff ausgestattet oder an eine Brennstaffquelle wie beispielsweise eine Erdgasquelle angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Fallschacht (1, 1") wenigstens streckenweise, insbssondere im Bereich des Brennraumes (3), im Abstand von einen Kühlmantel (15, 15') umschlossen ist, derart, daß

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sich zwischen den Wandungen (16) des Fallschachtes (I¹) und dem Kühlmantel (15, 15') ein Strömungsweg (.18) für ein Kühlmedium ergibt, und daß dieser an eine Quelle für das Kühlmedium angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (18) für das Kühlmedium im Bereich der Prallplatte (11) zu dieser hin eine Austrittsöffnung (17) für das Kühlmedium aufweist.