Die Erfindung betrifft einen kokslos betriebenen, mit flüs
sigen oder gasförmigen Brennstoffen gefeuerten Herd-
Schacht-Ofen zum Aufschmelzen, Verschlacken und Überhitzen
von Reststoffen, wie Kunststoffen, Leichtschredder, Groß
stadtmüll.The invention relates to a coke-free, with rivers
cooked with gaseous or gaseous fuels
Shaft furnace for melting, slagging and overheating
of residues such as plastics, light shredders, large
urban waste.
Aus dem Stand der Technik sind kokslos betriebene Herd-
Schacht-Öfen zum Aufschmelzen und/oder Verschlacken von
Reststoffen bekannt. In DE 37 42 349 C1 wird ein Verfahren
zum Schmelzen von Stahl-Schrott oder dgl. hochschmelzendes
Einsatzmaterial in einem kokslos mittels fluider Brennstof
fe betriebenen Schachtofen beschrieben. Der zur Durchfüh
rung des Verfahrens verwendete Ofen besteht aus einem durch
ein wassergekühlten Rost getrennten Ofenschacht und einem
Herdraum bzw. Herd, wobei sich der Herdraum unmittelbar am
Rost nach unten hin zunächst im Querschnitt konzentrisch
mit parabolspiegelartiger bzw. abgeschrägter Abstrahlfläche
erweitert und in einen senkrechten im Durchmesser ver
größerten zylindrischen Abschnitt für die Anordnung von
Brennern übergeht. Die Brenner münden im wesentlichen senk
recht zur Schachtlängsachse in den Ofen ein und die Ver
brennungsluft wird rekuperativ über die Abgase des Ofens
vorgewärmt. Die von den Brennern eingebrachte Wärmemenge
wird dosierbar auf eine in den Ofenschacht abgeleitete Kom
ponente und eine im Herdraum verbleibende Komponente aufge
teilt. Damit sollen genügend Energie im Schacht zum Auf
schmelzen des Schrottes und ausreichend hohe Temperaturen
zum Überhitzen des aufgeschmolzenen Metalls im Herdraum zur
Verfügung stehen. Aus DE 43 10 981 A1 ist auch bekannt,
alle in der Gießerei anfallenden staubartigen Reststoffe
einem im Bereich der Schmelzzone (Winddüse) des Kupolofens
angeordneten und mit Erdgas, Heizöl oder Kohlenstaub be
triebenen Sauerstoff-Brenner zuzuführen. Der Sauerstoff-
Brenner ist hierzu mit sicherheitstechnisch aufwendigen,
getrennt voneinander einzubindenden Brennstoff- und Ver
brennungsmittel-Regelstrecken versehen. Eine andere Mög
lichkeit der Entsorgung von in der Gießerei industriell an
fallenden Stäuben oder Sanden wird in DE 43 08 294 A1 als
Verfahren zur Herstellung von schlackebildenden Briketts
zur Anwendung in einem Schachtofen, insbesondere Kupolofen,
zur Gußeisenerzeugung dargestellt. Die Briketts werden zu
sammen mit dem übrigen Einsatzmaterial durch einen Begich
tungskübel dem Kupolofen zugeführt. Die Produktion von
Gußeisen soll dabei in gleicher Menge und Qualität gegeben
sein, wie bei der üblichen Verfahrensweise. Alle bekannten
kokslos, mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen ge
feuerten Herd-Schacht-Öfen haben den Nachteil, daß die beim
Aufschmelzen, Verschlacken und Überhitzen von Reststoffen,
wie Kunststoffen, Leichtschredder, Großstadtmüll, entste
henden Pyrolysegase nicht beherrschbar sind. Die Erwei
chungs- und Aufschmelzintervalle derartiger Reststoffe
liegen weit unter den Temperaturen von eisenmetallischen
Werkstoffen oder primär zusammengesetzten Stäuben, wodurch
ihr Absinkverhalten mit der Schüttung schlechter ist und
somit schadstoffbelastete Gichtgase entstehen. Diese können
nur durch zusätzliche und technisch aufwendige, nachge
schaltete Einrichtungen der Gaswirtschaft zu umweltschutz
technisch unbedenklichen Abgasen verarbeitet werden. Eine
stark verminderte Abgasemission soll dagegen der in DE
43 38 985 C2 dargestellte kokslos betriebene Herd-Schacht-
Ofen zum Schmelzen und Überhitzen eisenmetallischer Werk
stoffe haben. Für den Herd-Schacht-Ofen ist kennzeichnend,
daß die Brennkammer eines Sauerstoff-Gas oder Sauerstoff-
Öl-Brenners über eine Gasleitung mit einer Ofengasabsaug
einrichtung, die unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe
angeordnet ist, verbunden ist. Damit kann eine Teilmenge
des Ofengases mit Temperaturen < 400°C als Kreislaufgas im
Herd-Schacht-Ofen geführt werden. Das über die metallurgi
schen Reaktionen in der Schüttsäule oberhalb des wasserge
kühlten Halterostes entstehende Ofengas ist CO-, CO2- und
wasserdampfhaltig. Die aus der Verbrennung der Mischung von
Gas oder ÖL und Kreislaufgas im Brenner resultierenden
heißen Verbrennungsgase werden im Bereich der Brennerebene,
die sich unterhalb des wassergekühlten Halterostes und
oberhalb der im Herd gesammelten Schmelzmenge befindet, dem
Herd-Schacht-Ofen wieder zugeführt. Auf Grund des aus
schließlichen Einsatzes von Sauerstoff und des damit feh
lenden Anteiles Luftstickstoff bei der Umsetzung des flui
den bzw. gasförmigen Brennstoffes im Brenner sowie der
gleichzeitig einsetzenden Kühlwirkung des im Vergleich zum
Brennergas kalten Kreislaufgases, womit wiederum eine Redu
zierung der Mischtemperatur des Brennergases bewirkt wird,
ist die temperaturabhängige NOx-Bildung und somit die NOx-
Beladung des in den Ofen eintretenden Brennergases mini
miert. Dementsprechend ist die NOx-Emission des Teilstromes
von unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe nicht abgezo
genen und weiter der Entstaubung und Gaswirtschaft zuge
führten Abgase ebenfalls minimiert. Mit der Reduzierung der
Brennergastemperaturen über die Mischung von Kreislaufgas
mit den Brennergasen erfolgt gleichzeitig eine Verringerung
des ebenfalls temperaturabhängigen und bei ca. 1700°C be
ginnenden Dissoziationsverhaltens der Gaskomponenten H2O,
CO2 und CO, wodurch das oxidierende Verhalten der Brenner-/
Ofengase im Herd und im Schacht in der Schüttsäule einge
schränkt wird. Weiterhin ist mit der Absaugung des Ofenga
ses unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe im Schacht
eine wesentliche Verringerung des Volumenstromes der Abgas
menge von Öl- oder gasbeheizten Herd-Schacht-Öfen verbun
den. Dieser kokslos betriebene Herd-Schacht-Ofen garantiert
somit eine umwelttechnisch unbedenkliche, kostengünstige,
kontinuierliche und sichere Durchführung des Schmelzens und
Überhitzens von eisenmetallischen Werkstoffen. Nachteilig
ist aber, daß dieser kokslos betriebene Herd-Schacht-Ofen
beim Aufschmelzen, Verschlacken und Überhitzen von Rest
stoffen, wie Kunststoffen, Leichtschredder und Großstadt
müll, kein vollständiges Ausbrennen des Prozeßgases ermög
licht, weil die Lage der Ofengasabsaugeinrichtungen und die
Lage der Gichtgasabsaugung oberhalb der Begichtungsöffnung
nur eine Rückführung von Ofengasbestandteilen kleiner 100%
zur Brennkammer des Brenners und nachfolgend in den Herd
erlauben. Damit wird die Umweltschutzkomponente für die
Emission von Schadstoffen immer überschritten. Deshalb
liegt das Problem der Erfindung darin, einen kokslos be
triebenen, mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen
gefeuerten Herd-Schacht-Ofen mit wassergekühltem Halterost,
einer vollständigen Nachverbrenung und einer minimierten
NOx-Emission im Abgas zum Aufschmelzen, Verschlacken und
Überhitzen von Reststoffen, wie Kunststoffen, Leichtschred
der, Großstadtmüll zu schaffen, der ein vollständiges Aus
brennen der Prozeßgase ermöglicht. Zur Lösung des Problems
ist der eingangs genannte Herd-Schacht-Ofen durch die Merk
male des unabhängigen Anspruchs weitergebildet. Die Vortei
le bestehen darin, daß dieser Herd-Schacht-Ofen trotz Ofen
gasabsaugung im Herdbereich eine energetisch und damit
kostenmäßig effektive Reststoffverwertung mit sehr geringen
Schadstoffemissionen sichert und die Produktion eines sau
beren, zur weiteren energetischen und chemischen Nutzung
geeigneten Synthese-Gases ermöglicht. Nach dem Beschicken
des Herd-Schacht-Ofens mit den Reststoffen sinken diese bei
sukzessiver Erwärmung, Entgasung und Vergasung im Ofen
schacht von oben nach unten. Gleichzeitig steigt der ver
brannte primäre Brennstoff (Gas und/oder Öl und/oder C-
Staub) als CO2 und H2O mit Temperaturen von über 2000°C von
unten nach oben und heizt dabei das auf dem Halterost lie
gende (keramische) Bettmaterial auf, wobei mit dem Verbren
nen der Brennstoffe in der Schüttung die eventuell in den
Reststoffen vorhandenen Mineralien und Metalle aufschmel
zen. In der Schüttung laufen unter anderem folgende Reak
tionen ab:
Coke-free stove-shaft ovens for melting and / or slagging of residues are known from the prior art. DE 37 42 349 C1 describes a method for melting steel scrap or the like. High-melting feedstock in a shaft furnace operated without coke by means of fluid fuels. The furnace used to carry out the process consists of a furnace shaft separated by a water-cooled grate and a stove chamber or cooker, the stove chamber expanding directly downwards at the grate initially in cross-section concentrically with a parabolic mirror-like or beveled radiation surface and into a vertical one Diameter ver enlarged cylindrical section for the arrangement of burners passes. The burners open into the furnace essentially perpendicular to the longitudinal axis of the shaft and the combustion air is preheated recuperatively via the furnace exhaust gases. The amount of heat introduced by the burners is metered into a component derived from the furnace shaft and a component remaining in the oven compartment. This should provide enough energy in the shaft to melt the scrap and sufficiently high temperatures to overheat the molten metal in the hearth. From DE 43 10 981 A1 it is also known to supply all the dust-like residues occurring in the foundry to an oxygen burner arranged in the region of the melting zone (wind nozzle) of the cupola furnace and operated with natural gas, heating oil or coal dust. For this purpose, the oxygen burner is provided with safety-related, separately integrated fuel and fuel control sections. Another possibility of the disposal of dusts or sands falling industrially in the foundry is described in DE 43 08 294 A1 as a method for producing slag-forming briquettes for use in a shaft furnace, in particular a cupola furnace, for the production of cast iron. The briquettes are fed to the cupola furnace together with the rest of the feed material through a tub. The production of cast iron should be given in the same quantity and quality as in the usual procedure. All known coke-free, ge-fired hearth-shaft furnaces with liquid or gaseous fuels have the disadvantage that the pyrolysis gases arising during melting, slagging and overheating of residual materials, such as plastics, light shredders, urban waste, cannot be controlled. The softening and melting intervals of such residues are far below the temperatures of ferrous metal materials or primarily composed dusts, which means that their sinking behavior is worse with the fill and thus creates pollutant-laden top gases. These can only be processed into environmentally friendly exhaust gases by means of additional, technically complex, downstream facilities in the gas industry. By contrast, the coke-free stove-shaft furnace shown in DE 43 38 985 C2 for melting and overheating ferrous metal materials is said to have a greatly reduced exhaust gas emission. It is characteristic of the hearth-shaft furnace that the combustion chamber of an oxygen-gas or oxygen-oil burner is connected via a gas line to a furnace gas suction device, which is arranged below the maximum height of the pouring column. This means that a portion of the furnace gas with temperatures <400 ° C can be circulated in the hearth-shaft furnace. The furnace gas generated via the metallurgical reactions in the bulk column above the water-cooled holding grate contains CO, CO 2 and water vapor. The hot combustion gases resulting from the combustion of the mixture of gas or oil and circulating gas in the burner are returned to the stove-shaft furnace in the area of the burner level, which is below the water-cooled holding grate and above the amount of melt collected in the stove. Due to the exclusive use of oxygen and the absence of atmospheric nitrogen in the implementation of the fluid or gaseous fuel in the burner and the cooling effect of the cold cycle gas compared to the burner gas, which in turn reduces the mixing temperature of the burner gas is, the temperature-dependent NO x formation and thus the NO x loading of the burner gas entering the furnace is minimized. Accordingly, the NO x emission of the partial flow is not deducted from below the maximum height of the pouring column and furthermore the exhaust gases supplied to the dedusting and gas management are also minimized. With the reduction of the burner gas temperatures via the mixture of recycle gas with the burner gases, there is also a reduction in the temperature-dependent dissociation behavior of the gas components H 2 O, CO 2 and CO, which begins at approx. 1700 ° C, which causes the oxidizing behavior of the burner / furnace gases is restricted in the stove and in the shaft in the pouring column. Furthermore, with the extraction of the furnace gas below the maximum height of the chute in the shaft, a substantial reduction in the volume flow of the flue gas quantity from oil or gas-fired stove-shaft stoves is connected. This coke-free stove-shaft furnace thus guarantees environmentally friendly, cost-effective, continuous and safe execution of melting and overheating of ferrous metal materials. The disadvantage, however, is that this coke-free stove-shaft furnace during melting, slagging and overheating of residual materials such as plastics, light shredders and city garbage does not allow the process gas to be completely burned out because the position of the furnace gas extraction devices and the position of the top gas extraction above Allow only one return of furnace gas components less than 100% to the combustion chamber of the burner and subsequently into the stove. This means that the environmental protection component for the emission of pollutants is always exceeded. Therefore, the problem of the invention is a coke-free, fuel-fired stove-shaft furnace with water-cooled holding grate, complete post-combustion and minimized NO x emissions in the exhaust gas for melting, slagging and overheating residues, such as Plastics, light shredder to create city garbage that enables a complete burnout of the process gases. To solve the problem, the above-mentioned stove-shaft furnace is further developed by the features of the independent claim. The advantages are that this stove-shaft furnace ensures an energetic and therefore cost-effective residual material utilization with very low pollutant emissions despite the furnace gas extraction in the stove area and enables the production of a clean synthesis gas suitable for further energetic and chemical use. After the residual materials have been loaded into the hearth-shaft furnace, they sink with successive heating, degassing and gasification in the furnace shaft from top to bottom. At the same time, the burned primary fuel (gas and / or oil and / or C dust) rises as CO 2 and H 2 O with temperatures of over 2000 ° C from the bottom up and heats the (ceramic) Bed material, with the burning of the fuels in the bed melting any minerals and metals that may be present in the residues. The following reactions take place in the fill:
CO2 (g) + C (g) → 2 CO (g)
CO 2 (g) + C (g) → 2 CO (g)
H2O (g) + C (g) → CO (g) + H2 H 2 O (g) + C (g) → CO (g) + H 2
Dies bedeutet, daß sich in der Schüttung ein gutes Brenngas
entwickelt hat. Die Spurengase (SO2, NOx usw.) sind vernach
lässigbar. Das Brennergas sowie die aus der Entgasung und
Vergasung des Einsatzmaterials entstehenden Gase werden
oberhalb der Schüttung abgezogen und der Brennkammer eines
unterhalb des Halterostes liegenden Sauerstoffbrenners
wieder zugeführt. Mit zunehmender Laufzeit des Ofens tritt
eine Zeit- und diffusionsabhängige Verkokung des Einsatz
materials ein. Dies führt zum zukzessiven Absinken der Ver
kokungsprodukte bis in den Rostbereich. Hier wirken diese
als Reduktionspotential und Brennstoff. Dadurch entsteht
der Vorteil, daß ein gewisses Reduktionspotential bereits
prozeßintern gebildet wird und nicht extern aufgebaut wer
den muß. Ebenfalls ist durch das sehr hohe Brennstoffange
bot der Einsatz des primären Energieträgers (Erdgas, Öl,
C-Staub) reduzierbar bzw. vollständig substituierbar. Die
Reststoffverwertung im erfindungsgemäßen Herd-Schacht-Ofen
trägt sich damit über den Energiegehalt des Einsatzmate
rials selbst.This means that a good fuel gas has developed in the bed. The trace gases (SO 2 , NO x etc.) are negligible. The burner gas and the gases resulting from the degassing and gasification of the feed material are drawn off above the bed and fed back into the combustion chamber of an oxygen burner located below the holding grate. With increasing furnace life, time and diffusion-dependent coking of the feed material occurs. This leads to the coking products sinking into the grate area. Here they act as reduction potential and fuel. This has the advantage that a certain reduction potential is already formed within the process and not built up externally who has to. The use of primary energy sources (natural gas, oil, C-dust) can also be reduced or completely substituted due to the very high fuel supply. The recycling of residues in the hearth-shaft furnace according to the invention thus bears itself over the energy content of the input material.
Nachstehend soll die Erfindung am Beispiel
der Verwertung von Restmüll aus einer biologischen Schnell
rotteeinrichtung in einem in der zugehörigen Zeichnung
dargestellten erdgasgefeuerten Herd-Schacht-Ofen näher er
läutert werden. Die Zeichnung zeigt, daß die Brennkammer 11
eines Sauerstoff-Erdgas-Brenners 15 über eine Gasleitung 12
mit der oberhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe 9 im Be
reich der Nachverbrennungskammer 10 angeordneten Ofengasab
saugeinrichtung 4 verbunden ist. Die Zuführung des Brenn
stoffes Erdgas und des Sauerstoffes erfolgt direkt zum
Brenner 15 durch die Leitungen 6; 7. Oberhalb des Brenners
15 und unterhalb des wassergekühlten Halterostes 5 ist eine
Ofengasabsaugung 1 installiert, die über eine nicht darge
stellte Schockkühlung in eine Gaswirtschaft 13 führt. Die
Begichtungsöffnung 2 ist mit dem Schrägaufzugskübel 14 der
Gattierung gekoppelt. Zum Anfahren des Ofens, der einen
oberen Schachtdurchmesser von 1050 mm hat, werden mittels
des Brenners 15 ca. 100 m3 Erdgas (Hu = 11.940 kcal/kg) mit
198 m3 Sauerstoff vollständig verbrannt (Lambda = 1). Dabei
entstehen dissoziationsbedingt Gastemperaturen von größer
2000°C, die zum Vorheizen des Herdbereiches 8 des Ofens
und des Bettmaterials oberhalb des wassergekühlten Halte
rostes 5 genutzt werden. Im Anschluß an den technologisch
notwendigen Aufheizvorgang zur Herstellung der Betriebsbe
reitschaft des Ofens erfolgt durch den Schrägaufzugskübel
14 das satzweise Gattieren von 1.000 kg/h feuchtem Restmüll
(ca. 700 kg Trockensubstanz mit Hu = 3.583 kcal/kg) und 80
kg Kalkstein als Flußmittel. Der als Trockensubstanz vor
liegende Restmüll hat eine Zusammensetzung von:
3,65% Fe
4,50% H2
25,00% SiO2
0,80% Fe2O3
34,00% C
16,00% O2
2,00% Al2O3
1,00% MnO
0,40% S
0,75% N2
10,00% CaO
0,70% Cl
1,00% MgOThe invention is to be explained in more detail using the example of the recycling of residual waste from a biological rapid rotting device in a natural gas-fired hearth-shaft furnace shown in the accompanying drawing. The drawing shows that the combustion chamber 11 of an oxygen-natural gas burner 15 via a gas line 12 with the above the maximum column height 9 in the range of the afterburning chamber 10 arranged Ofengasab suction device 4 is connected. The supply of the fuel natural gas and oxygen takes place directly to the burner 15 through the lines 6 ; 7 . Above the burner 15 and below the water-cooled holding grate 5 , an oven gas extraction 1 is installed, which leads to a gas economy 13 via a shock cooling system not shown. The inspection opening 2 is coupled to the inclined elevator bucket 14 of the genus. To start up the furnace, which has an upper shaft diameter of 1050 mm, the burner 15 completely burns about 100 m 3 of natural gas (Hu = 11,940 kcal / kg) with 198 m 3 of oxygen (lambda = 1). This creates dissociation-related gas temperatures of greater than 2000 ° C, which are used to preheat the stove area 8 of the furnace and the bed material above the water-cooled grate 5 . Following the technologically necessary heating process for the production of the operational readiness of the furnace, the inclined elevator bucket 14 accumulates 1,000 kg / h of moist residual waste (approx. 700 kg dry matter with Hu = 3,583 kcal / kg) and 80 kg limestone as a flux. The residual waste as dry matter has a composition of:
3.65% Fe
4.50% H 2
25.00% SiO 2
0.80% Fe 2 O 3
34.00% C
16.00% O 2
2.00% Al 2 O 3
1.00% MnO
0.40% S
0.75% N 2
10.00% CaO
0.70% Cl
1.00% MgO
Die entstehende Ofengasmenge von 344 Nm3/t (800°C) wird
durch die Wirkung des Brenners 15 und der Ofengasabsaugein
richtung 4 als Kreislaufgas abgezogen und durch die Gaslei
tung 12 der Brennkammer 11 des Brenners 15 dem Ofen wieder
zugeführt. Bei stabilen Prozeßparametern und bei einer
thermischen Umsetzung mit einer Lambda < 1 geregelten Luft
zufuhr über die Luftdüsen 3 mit rd. 530 m3 O2 und 1.253 Nm3/
t Kreislaufgas, welche die beim Schmelzprozeß entstehenden
Pyrolysegase enthalten, entstehen durch den realisierbaren
Energieeintrag von 2.894 kWh dissoziationsbedingt Tempera
turen von < 2000°C. Damit kann der beim Anfahren erforder
liche Erdgaseinsatz auf null reduziert werden. Der Herd-
Schacht-Ofen wird durch den Sauerstoff und das Kreislaufgas
selbstgängig. Die dabei als Abgas entstehende pyrolysegas
freie Ofengasmenge von 1.253 Nm3 wird mit ca. 4 m/s in eine
nicht dargestellte Schockkühlung und weiter in die Gaswirt
schaft 13 abgezogen, wo die Kondensation des Wasserdampfes
zu rd. 96% erfolgt, so daß ca. 558 Nm3 Abgas mit 2,85% O2,
8,70% N2, 82,95% CO2 und 5,50% H2O entstehen. Durch diesen
Verwertungsprozeß entstehen ebenfalls 30 kg eisenmetalli
sche Schmelze sowie 315 kg Schlacke mit 56,00% SiO2, 4,50%
Al2O3, 35,00% CaO, 2,23% MgO, 0,05% Fe2O3 und 2,21% MnO.The resulting amount of furnace gas of 344 Nm 3 / t (800 ° C) is withdrawn by the action of the burner 15 and the Ofengasabsaugein device 4 as a cycle gas and through the Gaslei device 12 of the combustion chamber 11 of the burner 15 the furnace again. With stable process parameters and with a thermal implementation with a lambda <1 regulated air supply via the air nozzles 3 with approx. 530 m 3 O 2 and 1,253 Nm 3 / t circulating gas, which contain the pyrolysis gases generated during the melting process, result from the achievable energy input of 2,894 kWh due to dissociation, temperatures of <2000 ° C. This means that the amount of natural gas required when starting off can be reduced to zero. The stove-shaft furnace becomes self-sufficient due to the oxygen and the cycle gas. The pyrolysis gas-free furnace gas amount of 1,253 Nm 3 that is produced as exhaust gas is withdrawn at about 4 m / s in a shock cooling system (not shown) and further into the gas economy 13 , where the condensation of the water vapor is approx. 96% takes place, so that about 558 Nm 3 of exhaust gas with 2.85% O 2 , 8.70% N 2 , 82.95% CO 2 and 5.50% H 2 O are formed. This recycling process also produces 30 kg of ferrous metal melt and 315 kg of slag with 56.00% SiO 2 , 4.50% Al 2 O 3 , 35.00% CaO, 2.23% MgO, 0.05% Fe 2 O. 3 and 2.21% MnO.