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Verfahren zum Brennen und Kühlen von körnigem Gut, C
z. B. von
Kalkstein im Schachtofen, und Ofen zur Ausübung des Verfahrens Bei den bisher bekannten
Schachtöfen für stark endotherme Prozesse, wie Schmelzöfen, Öfen zur Entsäuerung
von Karbonaten, zum Brennen von Schamotte usw., wird deren thermischer Wirkun-sgrad
wegen der hohen Abgasverluste beträchtlich herabgesetzt. Dies um so mehr,
je höher der Luftüberschuß ist, mit dem gefahren werden muß. Die Ursache
der hohen Abgasverluste liegt darin, daß die Abgase, welche die Reaktionszone mit
sehr hohen Temperaturen verlassen, derart große Wärmemengen mit sich führen, daß
das in der Vorwärmezone befindliche Material nicht ausreicht, sie aufzunehmen.
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Wenn das zu brennende Gut außerdem noch wärmeempfindlich ist (wie
z. B. das in Kalk- oder Dolomitbrennöfen gebrannte Gut) und nur mit Ab-
gasen
von niedrigen Temperaturen vorgewärmt werden darf, können die erforderlichen niedrigen
Temperaturen nur mit hohem Luftüberschuß oder durch Beigabe großer Mengen inerter
Gase (z. B. von Ofenabgas) eingehalten werden. Damit werden aber die Gasmengen,
welche Wärme von der Reaktionszone in die Vorwärmezone transportieren, noch wesentlich
vergrößert und der thermische Wirkungsgrad des Brennprozesses weiter verschlechtert,
zumal auch eine Steigerung der Abgasverlust eintritt.
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Um die erwähnten Nachteile zu vermeiden, wird bereits ein Verfahren
angewendet, g bei welchem heißes Abgas zwischen Reaktions- und Vorwärmezone abgezogen
und, gegebenenfalls mit Kaltluft vermischt, wieder in die Reaktionszone eingeführt
wird. Bei diesem Verfahren kann zwar ein großer Teil der Abgasverluste vermieden
werden, doch treten in der Umgehungsleitung Strahlungsverluste auf; ferner werden
die erforderlichen Gebläse sehr hoch beansprucht, die dadurch störungsanfälliger
werden. Schließlich können jene Verluste nicht vermieden werden, welche durch den
bei Gas-, Öl- oder Kohlenstaubfeuerung notwendigen Luftüberschuß auftreten.
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Das ebenfalls bereits bekannte Verfahren, temperaturempfindliche Güter
im Gleichstrom zu brennen, wurde auch schon für Schachtöfen vorgeschlagen, und zwar
derart, daß zwischen Kühl-, Reaktions- und Vorwärmezone Schleusenzonen eingeschaltet
werden, wobei die Luft bzw. das Abgas mit Umgehungsleitungen so geführt wird, daß
Kühl- und Vorwärmezone im Gegenstrom, die Reaktionszone hingegen im Gleichstrom
betrieben wird. Diesem Vorschlag blieb aber bisher die praktische Verwirklichung
versaA weil sich der Ausbildung der Schleusenzonen, die im Bereich hoher Reaktionstemperaturen
arbeiten müßten, erhebliche Schwierigkeiten entgegenstellten. Durch die Längen der
Schleusenzonen und Umgehungsleitungen sind auch Strahlungsverluste zu erwarten.
Darüber hinaus bietet dieses Verfahren keine Möglichkeit, die Verluste wegen des
erforderlichen Luftüberschusses und der nicht verwendeten Abgaswärme. zu verhindern.
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Es wurden auch Öfen gebaut, bei denen der Brennstoff nicht in einer,
sondern in mehreren Brennerebenen eingeführt wurde. Wesentliches Ziel dieser Betriebsweise
war wiederum die Vermeidung schädlicher Temperaturen, wobei aber Abgasverluste nicht
zu verhindern waren. Außerdem leiden solche Öfen, die z. B. mit Generatorgas betrieben
werden, an dauernder Verstopfung der oberen Brenner, so ffl sie schließlich meist
nur mit den in einer Ebene angeordneten Brennem betrieben werden und neben hohem
Wärineverbrauch einen ungleichmäßig gebrannten Kalk liefern.
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Bei einem bekannten Zwillingsschachtofen zum Brennen von Kalk, od.
dgl. dringt kalte Verbrennungsluft von unten in den einen Schacht ein, steigt im
heißen Brenngut auf, kühlt dieses, und erhitzt sich dabei. In einer Brennkammex
tritt Brenngas
hinzu, und es entwickelt sich eine Heizflamme, die
unmittelbar auf das zuvor eingebrachte kalte Brenngut einwirkt. Die Brenngase bewegen
sich im zweiten Schacht abwärts, kühlen sich dabei ab und verlassen diesen Schacht
durch eine Öffnung. Nachdem gares Brenngut abgezogen worden ist und neues kaltes
Brenngut aufgegeben wurde wird umgeschaltet, und die Luft wird in umgekehrter Richtung
durch den Ofen geführt.
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Dieses Verfahren nimmt auf die Wärmewirtschaft im Kalkschachtofen
keine Rücksicht, weil keine Vorwärrnezone vorgesehen ist und das kalte zu brennende
Gut unmittelbar in die Brennzone eingebracht wird. Die Aufwärmung dieses Brenngutes
bis zur Reaktionstemperatur muß daher mit hochwertiger Reaktionswärme des Brennstoffes
gedeckt werden, was zweifellos einen Verlust darstellt.
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Schließlich wurde auch schon vorgeschlagen, die Verbrennungsluft und
das Brenngas in einem aus zwei Schächten bestehenden Schachtofen getrennt vorzuwärmen,
wobei die Luft einen unteren gemeinsamen Kühlschacht nach oben und das Brenngas
den einen Brennschacht nach unten durchströrnt. Nach Vereinigung von Gas und Luft
durchströmt das nunmehr entstandene Feuergas den zweiten Brennschacht, um das in
diesem Schacht eingesetzte frische Gut zu brennen. Der Vorgang wiederholt sich durch
Umschalten abwechselnd.
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Da die Kühlung des Brenngutes im Kühlschacht des Ofens durch die von
unten zugeführte Frischluft vorgesehen ist wird zwar ein gewisser Verlust an fühlbarer
Wärme vermieden. Auch wird ein Teil der Abgaswärme durch das vorgewärmte Gut zurückgewonnen.
Jedoch wird die gesamte Luft immer nur im Gegenstrom durch das Brenngut geführt.
Es verlassen dann mit dem Abgas erhebliche Wärmernengen den Ofen, weil das Abgas
weitaus mehr Wärme in die Vorwärmezone bringt, als das niedersinkende Brenngut zu
binden vermag.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Brennen und Kühlen von
körnigern Gut, z. B. von Kalkstein, im Schachtofen vorgeschlagen, wobei die Heizgase
während des Brandes periodisch wechselnd die Brennzone irn Gleich- und Gegenstrom
durchziehen und die oberhalb und unterhalb der Brennzone abwärts wandernden Gutschichten
einer thermischen Vor- oder Nachbehandlung durch Abgase oder einem anderen Wärineträger,
z. B. Luft, unterzogen werden. Für dieses Verfahren ist es wesentlich, daß die oberhalb
oder die unterhalb der Brennzone befindlichen oder beide Schichten periodisch wechselnd
von Ab-
gasen in der einen und von einem anderen Wärmeträger, z. B. Luft,
in der anderen vertikalen Richtung durchströmt werden.
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Hierdurch kann jede gewünschte Menge an überschüssiger Luft oder kaltem
inertem Gas (Abgas) zugesetzt werden, ohne daß hierdurch Verluste entstehen, weil
der überschuß an Wärme, welcher beim Brennen im Gegenstrom in die Vorwärmezone getragen
wird, beim Blasen im Gleichstrom in die Reaktionszone zurückgeführt und in der Kühlzone
an den dort befindlichen Schachtinhalt abgegeben wird. Der Schachtinhalt der Kühl-
und Vorwärrnezone wirkt daher während der Brennperioden zeitweise als Wärmeträger.
Es ist dann nur mehr Aufgabe der richtigen Ofenführung, um die Wärmemengen, welche
während beider Brennperioden durch den Ofen befördert werden, so abzustimmen, daß
sowohl kaltes Brenngut gezogen werden kann, als auch nur kalte Abgase den Schachtofen
verlassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Varianten zur
Ausführung gelangen, die nunmehr in Verbindung mit hierfür geeigneten Öfen näher
beschrieben werden sollen.
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Fig. 1 zeigt einen Einfachschachtofen, Fig. 2 einen doppelten
Schachtofen mit Verbindung der beiden Ofenschächte in der Ebene zwischen Reaktions-
und Kühlzone; Fig. 3 veranschaulicht einen doppelten Schachtofen mit Verbindung
der beiden Ofenschächte in der Ebene zwischen Reaktions- und Vorwärmezone; schließlich
stellt Fig. 4 einen doppelten Schachtofen dar, dessen Schächte in einer Ebene innerhalb
der Reaktionszone verbunden sind.
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Das in den in Fig. 1 dargestellten Schachtofen 1
eingesetzte
Brenngut wird in drei Zonen einer Behandlung unterworfen. In der Zone V wird es
vorgewärmt, in der Zone B gebrannt und in der Zone K gekühlt, so daß es kalt aus
dem Schacht gezogen werden kann. Während einer ersten Brennperiode wird Verbrennungsluft
mit entsprechendem überschuß oder Zusatz an inertern Gas bei a eingeführt und erwärmt
sich beim Durchgang durch die Kühlzone K so weit, als es der Wärmeinhalt des in
dieser Zone befindlichen Gutes ermöglicht. In der Brennzone B verbrennt der Brennstoff,
welcher entweder in fester Form schon mit dem Brenngut aufgegeben wurde. (Mischfeuerofen)
oder der in einer Ebene bei d bzw. zwischen den Punkten d und c in
staubförmiger, flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt wird. Nach Beendigung der
Verbrennung, etwa an der Stelle e, geben die in Pfeilrichtung nach oben strömenden
Abgase ihre Wärme an das zu brennende frische Gut der Vorwärmezone V ab und verlassen
an der Stelle b den Ofen. Dies ist jene Periode, in der das Brennen des Gutes
im Gegenstrom erfolgt, wobei die Verbrennungsluft oder ein Gemisch aus Luft und
inertem Gas das an der Stelle b eingeführte Gut entgegen dessen Bewegungsrichtung
durchsetzt. Sobald das den Ofen verlassende Abgas eine bestimmte Temperatur erreicht
hat, z. B. 100' C, wird die Zufuhr von Luft oder inertern Gas derart umgeschaltet,
daß diese Gase den Ofen nunmehr in gleicher Richtung wie das eingesetzte Gut (strichlierter
Pfeil) durchsetzen. Demnach treten diese Gase an der Stelle b in den Ofenschacht
und erwärmen sich in der Vorwärmezone V, verbrennen den bei c eingeführten Brennstoff,
der gegebenenfalls auch in mehreren Brennebenen zwischen den Stellen c und
d aufgegeben werden kann. Sodann verlassen die Abgase unter Wärmeabgabe an
das in der Kühlzone K befindliche Gut den Schacht in kaltem Zustand. Der Produktionsprozeß
braucht zum Ziehen und Beschütten des Ofens nicht unterbrochen zu werden, da beim
Wechseln der Strömungsrichtung das eine Mal die Ofengicht, das andere Mal der Ofenfuß
drucklos ist, je nachdem, ob mit Saugzug oder Unterwind gefahren wird. Einfache
Verschlüsse genügen. Beim Mischfeuerofen kann bei der Brennperiode im Gleichstrom
inertes Gas zur Wärmerückführung verwendet werden, um das Verbrennen des Brennstoffes,
außerhalb der Reaktionszone zu vermeiden.
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In Fig. 2 ist ein doppelter Schachtofen 2 dargestellt, der aus den
Schächten 3 und 4 besteht, die durch eine Leitung 5 verbunden sind.
Wie ersichtlich,
ist diese Verbindungsleitung 5 in einer
zwischen der Brennzone B und der Kühlzone K gelegenen Ebene dlg d
angeordnet.
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Die Verbrennungsluft (strichlierte Pfeillinien) erforderlichenfalls
mit Abgas gemischt, kann während der ersten Periode bei den Einlässen bi und al
oder al oder auch bei bl, al und a 11 in Pfeilrichtung eingeblasen werden. Dabei
wird bei den Einlässen al und a, nur so weit Luft (Sekundärluft) dem Schacht aufgegeben,
wie zur Kühlung des Materials in der Kühlzone K erforderlich ist. Hingegen kann
durch den Einlaß bl jede beliebige Menge Luft (Primärluft) zugeführt werden, ohne
daß die Gefahr einer Verschlechterung des therinischen Wirkungsgrades besteht. In
dieser Brennperiode wird der Brennstoff dem Schacht 3 in der Ebene cj, C
zugeführt (durch gehende Pfeillinie) und verbrennt in jenem Ausmaß, als Verbrennungsluft
bei bl eingeblasen wird. Das entstandene Abgas, eventuell noch vorhandene Brenngase,
ferner die bei al eingetretene Kühlluft treten durch die Verbindung 5 in
den Schacht 4 und strömen dort, allenfalls mit der bei a, eingeführten Kühlluft
vereinigt, im Gegenstrom nach oben. In der Brennzone B verbrennt dann der noch vom
Schacht 3
herrührende Restbrennstoff oder bei d, zugeführter Brennstoff. Die
gesamten Abgase geben ihre Wärme zum größten Teil in der Vorwärmezone V des Schachtes
4 an das frisch aufgegebene Brenngut ab und verlassen durch die öffnung b,' kalt
den Ofen. Man hat es in der Hand, durch richtige Dosierung der zugesetzten Verbrennungsluft
an den einzelnen Stellen bl, al und a, , wieviel Gas im Gleichstrom im Schacht
3 und wieviel im Gegenstrom im Schacht 4 verbrennt. Wenn temperaturempfindliches
Gut gebrannt wird, empfiehlt es sich, den Hauptteil an Brennstoff im Gleichstrom
zu verbrennen, weil dabei keine Schädigung des noch unbehandelten Gutes eintreten
kann. Auch werden beim Brennen im Gleichstrom sehr gute Wärmeübergangszahlen erreicht,
da mit reduzierender, leuchtender Flamme gefahren wird. Rußteilchen, die sich am
Brenngut absetzen, werden spätestens im oberen Teil der Kühlzone K mit der vorgewärmten
Sekundärluft verbrannt, so daß das Brenngut vollkommen sauber den Ofen verläßt.
Beim Brennen im Schacht 4 im Gegenstrom, wobei das Gut Schaden erleiden könnte,
ist bereits so armes Gas und ein so großer Luftüberschuß vorhanden, daß eine Schädigung
hier nicht mehr eintreten kann. Der Brennofen kann vorteilhaft auch nur mit einem
Gebläse betrieben werden, wobei die Gege eingestellt wird und mittels Umsamtwindmeng
schaltklappen diese in kurzen, aber einstellbaren Perioden auf die Einlaßöffnungen
für Primär- und Sekundärluft verteilt wird. Nach einer b--stimmten Zeit (etwa
5 bis 30 Minuten) werden die Ofenschächte in ihrer Brennart (Gleich-
und Gegenstrom) umgestellt, so daß nunmehr die Primärluft durch die Öffnung b,'
und die Sekundärluft bei al oder al' bzw. bei beiden eingeblasen wird und
die Abgase bei bl den Ofen verlassen. Dieser zweite Brennvorgang ist dabei genau
der gleiche wie der erste, und es ist ersichtlich, daß die Luft bzw. inertes Gas
oder auch ein Gemisch das Brenngut einmal im Gleichstrom und einmal im Gegenstrom
durchsetzt. Das wechselweise Fahren bietet dabei den Vorteil, daß Temperaturspitzen,
die in gewissen Ofenpartien sich bilden können, in der darauffolgenden Brennperiode
wieder abgebaut werden, da nicht anzunehmen ist, daß während beider Brennperioden
an ein und derselben Stelle eine gleich wirksame Verbrennung stattlindet.
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In Fig. 3 ist ein doppelter Schachtofen 6 dargestellt,
dessen Schächte 7, 8 mit einer Verbindung 9
in der Ebene zwischen Reaktionszone
und Vorwärmezone ausgestattet sind. Die Betriebsweise dieses Ofens ist die folgende:
Die Verbrennungsluft, wenn nötig mit inertem Gas gemischt, wird bei a., in den Ofenschacht
eingeblasen (vgl. Pfeillinien) und wärmt sich bis zur Stelle d2 auf Reaktionstemperatur
an dem zu kühlenden Brenngut vor. An der Stelle d2 wird so viel Brennstoff
aufgegeben, daß jene Temperatur nicht überschritten wird, welche das Brenngut schädigen
könnte (Verbrennung mit großem Luftüberschuß bzw. inerten Gasmengen). Die Verbrennung
geschieht also im Bereich zwischen d., und c., im Gegenstrom. Von der Stelle
c, strömt sG viel 71es entstandenen heißen Abgas-Luft-Gemisches zur Öffnung
b, wie zur Vorwärmung des frisch eingesetzten Brenngutes erforderlich ist,
so daß dieser Teil des Abgases den Ofenschacht durch die Öffnung b2 in kaltem
Zustand verläßt. Der überwiegende Teil des erforderlichen Brennstoffes wird jedoch
in der öffnung 9 zwischen beiden Schächten 7,
8 in Ebene c2-c"'
aufgegeben und verbrennt beirn Abwärtsstreichen durch den Schacht 8 zwischen
den Stellen c,' und dj. Zwischen d2' und a2' geben die nunmehr entstandenen
Abgase ihre Wärme an das gekühlte Gut ab, welches einen Wärinespeicher bildet, um
beim darauffolgenden gegengleichen Vorgang die durch die öffnung a.,' aufgegebene
frische Verbrennungsluft vorzuwärmen.
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Es wird also auch bei diesem Ofen abwechselnd die Frischluft im Gegenstrom
und im Gleichstrom durch das Brenngut geführt, wobei immer dann auf die andere Brennperiode
umgeschaltet wird, wenn die Abgase an den Stellen a., bzw. a2' eine zu hohe
Temperatur anzunehmen im Begriff sind. Dabei kann das gebrannte Gut, am Fuß
des Ofens kalt abgezogen werden.
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Schließlich ist in Fig. 4 ein doppelter Schachtofen 10 dargestellt,
dessen Schächte 11, 12 eine Verbindung 13 etwa in der Mitte der beiden
Brennzonen aufweisen.
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Dieser Ofen eignet sich besonders zum Brennen mit sehr minderwertigen,
gasfönnigen Brennstoff, z. B. Gichtgas. Bei diesem Brennstoff kann eine gute Wännewirtschaft
nämlich nur dannn erzielt werden, wenn sowohl das Gas als auch die notwendige Luft
vorgewärmt werden. Dies kann auch bei dem Ofen 2 gemäß Fig. 2 erfolgen, indem z.
B. oben (bei bl bzw. bl') Luft und unten (bei al oder al') Gichtgas eingeblasen
wird. Geringe Mengen an Gichtgas können noch in kaltem Zustand bei e,' zugesetzt
werden, ohne den Ofenwirkungsgrad herabzusetzen. Der Nachteil dieser Betriebsart
wäre es jedoch, daß die Hauptwännemenge beim Brennen im Gegenstrom anfällt. Um das
Garbrennen jedoch im Gleichstrom zu ermöglichen, wurde der Ofen 10 gemäß
Fig. 4 entwickelt. Bei diesem wird vorteilhaft Giehtgas bei b. (durchgehende
Pfeillinie) und Luft bei a. (strichpunktierte Pfeillinie) eingeblasen, was auch
umgekehrt erfolgen kann. Die beiden Komponenten mischen sich in der Verbindungsöffnung
13 und verbrennen, teilweise im Schacht 12 nach aufwärts strömend, bis zur
Ebene #J, teilweise nach unten strömend bis zur Ebene d. . Sie verlassen
durch die Öffnungen a.' und b.' als kaltes Abgas den Ofen,
wobei
sie vorher ihre Wärme an das zwischen d.' und a. bzw. c,' und b3'
befindliche Brenngut abgeben. Um die Raumleistung des Ofens zu erhöhen, kann bei
d. bzw. c, oder bei beiden, zur Luft Gichtgas, oder umgekehrt, in geringen
Mengen im kalten Zustand eingeblasen werden, ohne den Wirkungsgrad des Ofens zu
verschlechtem. Damit bei a3' und b"' das Abgas in gewünschten Mengen ausströmt,
werden entweder Blenden angeordnet oder, besser, die gesamte Abgasmenge wird mittels
einstellbarer Klappen einmal bei b und einmal bei a 3 in kleinen Zeit
intervallen ausströmen gelassen. Dieser Wechsel kann benutzt werden, um ohne doppelte
Schleusen das Begichten und Austragen des Ofengutes bei atmosphärischem Druck an
dieser Stelle des Ofenschachtes durchführen zu können.
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Wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis
3 erfolgt auch hier ein periodisches Umschalten, so daß in der zweiten Brennperiode
die Luft bei a. und das Gichtgas bei b 3 eingeblasen wird.