Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Drehrohröfen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von Zement verwendet werden. Solche Drehrohröfen sind großtechnische Anlagen mit einer Länge von oft über 50 m, für deren Beheizung unterschiedliche Brennstoffe eingesetzt werden können. Im Allgemeinen weist ein Drehrohrofen mindestens einen Hauptbrenner für primären Brennstoff auf, z. B. Erdöl, Erdgas oder Kohlenstaub, wobei Möglichkeiten zur Zugabe weiterer Brennstoffe, sogenannter sekundärer Brennstoffe, vorgesehen sein können. Als sekundäre Brennstoffe kommen viele Materialien in Betracht, darunter Kunststoffabfälle, Textilabfälle, alte Autoreifen und dergleichen. Diese Sekundärbrennstoffe werden im Allgemeinen als kleine Partikel, Schnipsel oder Fetzen mittels Pressluft zugeführt. Typischerweise hat ein sekundärer Brennstoff einen niedrigeren Heizwert als der primäre Brennstoff, weshalb seine vollständige Verbrennung oft Zusatzmaßnahmen erfordert, insbesondere um den Ausstoß von Schadstoffen zu vermeiden oder zu verringern.

Der prinzipielle Aufbau eines Drehrohrofens ist beispielsweise in der EP 0 866 295 A1 beschrieben. Dort wird zur Verbesserung der Verbrennung eine Sauerstofflanze für das Zuführen von flüssigem Sauerstoff vorgeschlagen.

Aus der EP 1 065 461 B1 ist ebenfalls der prinzipielle Aufbau eines Drehrohrofens bekannt. Dort wird auch schon die Verbesserung der Verbrennung eines sekundären Brennstoffs unter Zugabe von Sauerstoff vorgeschlagen.

Auch in der US 6 318 278 B1 wird ein Drehrohrofen beschrieben, wie er auch bei der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein kann. Diese Schrift zeigt auch schon die Verwendung einer Sauerstofflanze in einem hinteren Verbrennungsbereich, wobei auch eine Zuführung des Sauerstoffs in einem Winkel zur Richtung eines Hauptbrenners in Betracht gezogen wird.

Auch die EP 0 726 437 A1 beschäftigt sich mit unterschiedlichen Sauerstofflanzen in einem Drehrohrofen, wobei eine der Sauerstofflanzen zentral in einer Brenneranordnung geführt ist. Die Verwendung von sekundärem Brennstoff wird hier jedoch nicht behandelt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verbrennung von sekundärem Brennstoff in einem Drehrohrofen, bevorzugt unter Ausnutzung vorhandener Möglichkeiten typischer Brenneranordnungen, zu verbessern, insbesondere den Ausstoß an Kohlenmonoxid zu verringern, ohne dabei den Ausstoß anderer unerwünschter Schadstoffe, beispielsweise Stickoxide über vorgeschriebene Grenzwerte erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in Kombination miteinander Verwendung finden können, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von in einem ersten Strahl zugeführten sekundären Brennstoff in einen Drehrohrofen, wobei der Drehrohrofen eine zylindrische Brenneranordnung mit einer geometrischen Mittelachse und mit einem Hauptbrenner und mit einer Mehrzahl von Zufuhrtunneln für verschiedene Medien aufweist, von denen einer für die Zufuhr von sekundärem Brennstoff, insbesondere in Form von Partikeln oder Schnipseln in einem Pressluftstrom, ausgelegt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine rohrförmige Sauerstofflanze für ein sauerstoffreiches Gas, insbesondere gasförmigen Sauerstoff, mit einer abgewinkelten Düse an ihrem Ende in einem Zufuhrtunnel der Brenneranordnung angeordnet wird, wobei die Sauerstofflanze in eine solche Lage gebracht wird, dass der aus der Düse austretende Sauerstoff einen zweiten Strahl bildet, der auf den ersten Strahl trifft. Im Allgemeinen wird sekundärer Brennstoff oberhalb oder im oberen Bereich eines Hauptbrenners zugeführt, so dass dieser Brennstoff durch die aufsteigende Hitze der Flamme des Hauptbrenners entzündet und mit dem umgebenden Sauerstoff verbrannt wird. Versuche haben gezeigt, dass die Zufuhr von Sauerstoff zu dem sekundären Brennstoff schon vor oder bei dessen Entzündung die Verbrennung signifikant verbessern kann. Trifft ein Sauerstoffstrahl den Strahl mit sekundärem Brennstoff, so entsteht bei der späteren Verbrennung viel weniger Kohlenmonoxid als ohne das Zusammentreffen der beiden Strahlen. Durch die Erfindung kann der von der Sauerstofflanze zugeführte Sauerstoff viel effektiver eingesetzt werden als bei einer ungezielten Einspeisung in den Drehrohrofen. Dabei ist zu beachten, dass eine typische Brenneranordnung für einen großtechnischen Drehrohrofen selbst schon eine Länge von etwa 10 m haben kann, so dass es keine praktische Möglichkeit gibt, eine schräg zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Sauerstofflanze anzuordnen, ohne erhebliche Veränderungen an der Anlage vorzunehmen. Die Sauerstofflanze wird daher durch einen bei dem jeweiligen Betriebszustand nicht benutzten Zufuhrtunnel, von denen typische Brenner eine Mehrzahl aufweisen, geführt, weshalb eine abgewinkelte Düse am Ende der Sauerstofflanze erforderlich ist, um den zweiten Strahl in eine gewünschte Richtung lenken zu können. Der Hauptbrenner wird bei der Benutzung von sekundärem Brennstoff weiter mit dem primären Brennstoff betrieben und unterstützt die vollständige Verbrennung des sekundären Brennstoffs im weiteren Verlauf des Drehrohrofens.

Im Allgemeinen reicht es aus, die Sauerstofflanze mit dem richtigen Drehwinkel in Bezug auf den Zufuhrtunnel für sekundären Brennstoff in einen verfügbaren Zufuhrtunnel einzuschieben, um eine Zusammentreffen der beiden Strahlen zu erreichen. Insbesondere bei geometrisch schwierigen Verhältnissen und eventuellen Drallströmungen im Drehrohrofen ist es jedoch vorteilhaft, den Anteil unerwünschter Komponenten im Abgas, insbesondere Kohlenmonoxid, zu messen und die Sauerstofflanze in einer Art Feineinstellung so zu drehen und/oder die Versorgung mit Sauerstoff so zu verändern, dass ein Minimum der betreffenden Komponenten oder ein akzeptabler Wert für alle verschiedenen unerwünschten Bestandteile im Abgas erreicht wird. Dies ermöglicht eine besonders schadstoffarme Verbrennung selbst bei komplizierten Strömungsverhältnissen im Inneren des Drehrohrofens.

Bevorzugt wird das Verfahren so ausgestaltet, dass der zweite Strahl den ersten Strahl innerhalb von weniger als 5 m nach dem Austritt aus der Brenneranordnung trifft, vorzugsweise nach weniger als 2 m. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Sauerstoff aus der Sauerstofflanze nicht hauptsächlich die Temperatur bei der Verbrennung des primären Brennstoffs erhöht, die weiter stromab im Drehrohrofen stattfindet, was eine erhöhte Produktion von Stickoxiden zur Folge haben könnte, sondern hauptsächlich zur Förderung der Verbrennung des sekundären Brennstoffs genutzt wird.

Dennoch kann der durch die Sauerstofflanze zugeführte Sauerstoff dazu dienen, ein geringfügig überstöchiometrisches Verhältnis, also einen Überschuss von Sauerstoff zu Brennstoff im Ofen einzustellen, um eine möglichst vollständige Verbrennung aller Brennstoffe über die Länge des Drehrohrofens zu erreichen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung von in einem ersten Strahl zugeführtem sekundärem Brennstoff in einem Drehrohrofen, wobei der Drehrohrofen eine Brenneranordnung mit einem Hauptbrenner und mit einer Mehrzahl von Zufuhrtunneln für verschiedene Medien aufweist, von denen einer für die Zufuhr von alternativen Brennstoffen, insbesondere von Partikeln oder Schnipseln in einem Pressluftstrom ausgelegt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine rohrförmige Sauerstofflanze für ein sauerstoffreiches Gas, insbesondere gasförmigen Sauerstoff mit technisch verfügbarer Reinheit und Konzentration, mit einer abgewinkelten Düse an ihrem Ende in einem Zufuhrtunnel der Brenneranordnung so angeordnet ist, dass der beim Betrieb aus der Düse austretende Sauerstoff einen zweiten Strahl bildet, der auf den ersten Strahl trifft. Die abgewinkelte Düse der Sauerstofflanze wird also gerade so ausgerichtet, dass sie in Richtung des Zufuhrtunnels für sekundären Brennstoff gedreht ist.

Um die Ausrichtung der Düse in die richtige Stellung zu erleichtern, weist die Sauerstofflanze bevorzugt in einem rückwärtigen, aus der Brenneranordnung herausragenden Bereich, Mittel zur Kennzeichnung der Richtung der abgewinkelten Düse auf, insbesondere eine Lagewinkelanzeige. Dies kann beispielsweise eine auf der Außenseite der Lanze angebrachte Markierung oder ein Richtungspfeil sein. Wenn diese Markierung auf den Einlass des Zufuhrtunnels für sekundären Brennstoff zeigt, zeigt auch die Düse im Inneren des Drehrohrofens in die richtige Richtung. Erfindungsgemäß bevorzugt weist die abgewinkelte Düse einen Winkel 5° bis 25° von der axialen Richtung der Lanze auf, vorzugsweise 10° bis 20°. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der zweite Strahl den ersten Strahl in einem relativ kurzen Abstand nach dem Austritt aus der Brenneranordnung trifft.

Bei Versuchen hat sich ergeben, dass bestimmte Verbesserungen der Verbrennung auch schon durch eine nicht abgewinkelte Düse der Sauerstofflanze, also bei axialer Eindüsung von Sauerstoff, ergeben, insbesondere wenn der Sauerstoffstrahl durch eine geeignete Düse eine große Reichweite hat. Aus diesem Grunde kann am Ende der Sauerstofflanze eine nicht abgewinkelte Zusatzdüse als zweite Düse vorhanden sein, die diese Funktion übernimmt.

Da der Anteil an Sauerstoff, der der Verbrennung im Drehrohrofen durch die Sauerstofflanze zugeführt wird, relativ gering ist, hat erfindungsgemäß die Sauerstofflanze einen erheblich geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Zufuhrtunnels, in dem sie angeordnet ist, vorzugsweise einen mindestens 20 % geringeren Außendurchmesser. Typische Brenneranordnungen weisen für verschiedene Brennstoffe und andere Zwecke mehrere unterschiedliche Zufuhrtunnel auf, von denen dann ein geeigneter für die Sauerstofflanze ausgewählt werden kann. Der Durchmesserunterschied gewährleistet, dass es selbst bei Verschmutzungen keinerlei Schwierigkeiten beim Einschieben oder Drehen der Sauerstofflanze gibt.

Besonders bevorzugt wird die Sauerstofflanze drehbar und verschiebbar in einem Zufuhrtunnel angeordnet, wobei sie ihre Position durch ihr Eigengewicht bestimmt und auch genügend fixiert. Das Eigengewicht der Sauerstofflanze führt dazu, dass diese immer unten in dem betreffenden Zufuhrtunnel liegt und die Reibung ausreichend groß ist, um ungewünschte Drehungen oder Verschiebungen zu verhindern.

Da die Sauerstofflanze je nach Bedarf und Dimensionierung mit Sauerstoff unter relativ hohem Druck versorgt werden muss, ist es vorteilhaft, zwei Einlassflansche für den Anschluss von zwei beweglichen Schläuchen vorzusehen, um den Druckverlust in den Schläuchen von einem Vorratsbehälter bis zur Sauerstofflanze gering zu halten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Sauerstofflanze und deren Düse so dimensioniert und an eine Sauerstoffversorgung angeschlossen, dass der aus der Düse austretende zweite Strahl beim Zusammentreffen mit dem ersten Strahl etwa den gleichen oder einen kleineren Strahldurchmesser als der erste Strahl aufweist. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Sauerstoff in größerer Menge an dem sekundären Brennstoff vorbei in den oberen Bereich des Drehrohrofens strömt, wo er wenig zur Verbesserung der Verbrennung beitragen kann.

Sofern eine Zusatzdüse in der Sauerstofflanze vorhanden ist, ist diese so ausgelegt, dass der aus ihr austretende Sauerstoff eine möglichst große Reichweite aufweist, was vorzugsweise durch eine Laval-Düse erreicht werden kann.

Da die vorhandenen Möglichkeiten von Brenneranordnungen für die vorliegende Erfindung ausgenutzt werden sollen, kann nicht immer davon ausgegangen werden, dass symmetrische Positionen von Sauerstofflanze zum Zufuhrtunnel für den sekundären Brennstoff zur Verfügung stehen. Dabei kann es sogar von Vorteil sein, wenn die Verbindungslinie der beiden Zufuhrtunnel für den sekundären Brennstoff und die Sauerstofflanze eine geometrische Mittelachse der Brenneranordnung nicht schneidet. Typischerweise ist die Sauerstofflanze schräg unterhalb des ersten Strahls angeordnet, so dass der zweite Strahl den ersten Strahl nicht genau von unten trifft, sondern etwas seitlich. Dies kann sogar zu einem erwünschten Dralleffekt und einer besseren späteren Vermischung des sekundären Brennstoffs mit der primären Flamme führen. Durch eine solche Anordnung wird auch erreicht, dass der Sauerstoffstrahl nicht schon auf seinem Weg hauptsächlich mit dem primären Brennstoff reagiert oder von der Verbrennungsluft für den primären Brennstoff stark abgelenkt wird.

Jedenfalls aber ist es vorteilhaft, dass der erste Strahl vertikal höher als der zweite Strahl in den Drehrohrofen eintritt, der zweite Strahl von unten oder schräg von unten auf den ersten Strahl trifft.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

• Fig. 1: eine schematische Sicht eines Drehrohrofens im Längsschnitt,
• Fig. 2: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Brenneranordnung,
• Fig. 3: einen schematischen Längsschnitt durch den Zwischenbereich einer erfindungsgemäßen Sauerstofflanze,
• Fig. 4: eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sauerstofflanze und
• Fig. 5: das Funktionsprinzip der Erfindung in schematischer perspektivischer Darstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen typischen Drehrohrofen 1 zur Herstellung von Zement 2, welcher den Drehrohrofen 1 in Pulverform durchläuft. An dem unteren Ende des Drehrohrofens 1 ist eine Brenneranordnung 3, vorzugsweise mit etwa zylindrischer Grundform, angeordnet, die einen Hauptbrenner 5 umfasst, welcher mit einem primären Brennstoff gespeist wird. Beim Betrieb des Drehrohrofens 1 entsteht so eine primäre Flamme 6, die den größten Teil der erforderlichen Wärme erzeugt. Die Brenneranordnung 3 enthält außerdem mindestens einen Zufuhrtunnel 19 für sekundären Brennstoff 10, auch Fluff genannt, der typischerweise in kleinen Stücken mittels eines Luftstroms zugeführt wird. Im Drehrohrofen 1 führt dies zu einem ersten Strahl 7, der den sekundären Brennstoff 10 enthält. In der Brenneranordnung 3 ist erfindungsgemäß außerdem eine Sauerstofflanze 12 angeordnet, die einen sauerstoffreichen zweiten Strahl 8 beim Betrieb erzeugt. Der erste Strahl 7 und der zweite Strahl 8 treffen sich in einem Kreuzungsbereich 9, da die Sauerstofflanze 12 zwar parallel zum Zufuhrtunnel 19 für sekundären Brennstoff verläuft, jedoch an ihrem Ende eine abgewinkelte Düse 14 aufweist. Dadurch wird erreicht, dass der zweite Strahl 8 in einem Winkel zur geometrischen Mittelachse 4 der Brenneranordnung 3 bzw. zur geometrischen Mittelachse 27 der Sauerstofflanze 12 austritt. Die Verbrennungsgase gelangen aus dem Drehrohrofen 1 zu einem Abgasabzug 24, in dem ein Analysegerät 25 die Anteile bestimmter Komponenten, insbesondere von Schadstoffen, messen kann.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Brenneranordnung 3, der erkennen lässt, dass die Brenneranordnung 3 in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Zufuhrtunnel aufweist, die teilweise konzentrisch zur geometrischen Mittelachse 4 angeordnet sind, teilweise aber auch exzentrisch liegen. Die gesamte Brenneranordnung 3 hat eine äußere Isolierung 26, die einen ersten Zufuhrtunnel 16 umgibt, der als Ringraum ausgebildet ist. Dieser kann beispielsweise für die Zufuhr von Primärluft genutzt werden. Weiter innen liegt ein weiterer Zufuhrtunnel, der z. B. für die Zufuhr von Kohlenstaub als primären Brennstoff genutzt werden kann Noch weiter innen liegt ein weiterer Zufuhrtunnel, der beispielsweise wieder für zentral zugeführte Luft genutzt werden kann. Innerhalb dieses weiteren Zufuhrtunnels 18 liegen im vorliegenden Ausführungsbeispiel noch mindestens ein Zufuhrtunnel 19 für sekundären Brennstoff 10, zwei weitere Zufuhrtunnel 18 für hier nicht weiter erläuterte Zwecke und ein Zufuhrtunnel 20 für die Sauerstofflanze 12. Dieser Zufuhrtunnel 20 für die Sauerstofflanze 12 hat einen Innendurchmesser D, der erheblich größer als der Außendurchmesser der Sauerstofflanze 12 ist, insbesondere mindestens 20 % größer. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 liegt der Zufuhrtunnel 19 für sekundären Brennstoff schräg oberhalb des Zufuhrtunnels 20 für die Sauerstofflanze 12.

Fig. 3 zeigt im schematischen Längsschnitt mit zusätzlichen Erläuterungen einen Endbereich der Sauerstofflanze 12 mit einer abgewinkelten Düse 14 und einer Zusatzdüse 15, die optional vorgesehen werden kann. Die Sauerstofflanze 12 hat einen Außendurchmesser d und eine geometrische Mittelachse 27. Die abgewinkelte Düse 14 stößt im Betrieb einen sauerstoffreichen zweiten Strahl 8 unter einem Winkel α zur geometrischen Mittelachse 27 der Sauerstofflanze 12 aus, der den schematisch dargestellten ersten Strahl 7 mit sekundärem Brennstoff in einem Kreuzungsbereich 9 trifft. Dieser Kreuzungsbereich 9 hat vom Ende der Sauerstofflanze 12 eine Entfernung E von weniger als 5 m, vorzugsweise weniger als 2 m. Dies wird dadurch erreicht, dass der Winkel α der abgewinkelten Düse 14 zwischen 5 und 25°, vorzugsweise zwischen 10 und 20° liegt.

In Fig. 4 ist schematisch im Längsschnitt die gesamte Sauerstofflanze 12 mit ihren Verbindungsleitungen zu einem Sauerstofftank 21 dargestellt. Im rückwärtigen Bereich weist die Sauerstofflanze 12 eine Lagewinkelanzeige 13 auf, anhand deren das Bedienungspersonal erkennen kann, in welche Richtung die abgewinkelte Düse 14 im Inneren des Drehrohrofens 1 im eingebauten Zustand zeigt. Die Sauerstofflanze 12 weist bevorzugt zwei Einlassflansche 23 auf zum Anschluss von schlauchförmigen Sauerstoffleitungen 22, die den Sauerstoff 11 vom Sauerstofftank 21 mit nur geringem Druckverlust zuführen können. Es sei angemerkt, dass es auf die chemische Reinheit des Sauerstoffs bei diesem Prozess nicht ankommt und auch ein mit Sauerstoff angereichertes Gas, beispielsweise mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 80%, für die Versorgung der Sauerstofflanze eingesetzt werden kann.

Fig. 5 veranschaulicht nochmals die räumliche Situation am Austritt der Brenneranordnung 3. Man erkennt, dass der erste Strahl 7 aus dem Zufuhrtunnel 19 mit sekundärem Brennstoff schräg und seitlich von unten von dem zweiten sauerstoffreichen Strahl 8 in dem Kreuzungsbereich 9 getroffen wird. Der schräge Austritt des zweiten Strahls 8 wird durch die abgewinkelte Düse 14 an der Sauerstofflanze 12 erreicht, wobei die genaue Richtung der abgewinkelten Düse 14 durch die Lagewinkelanzeige 13 auch von außen erkennbar ist. Weitere Zufuhrtunnel 18 der Brenneranordnung 3 beeinflussen diesen Vorgang nur wenig.

Die vorliegende Erfindung kann bei Neubauten von Brenneranordnungen für Drehrohröfen berücksichtigt werden, dient aber hauptsächlich auch der Nachrüstung von schon vorhandenen Brenneranordnungen, in denen meistens Zufuhrtunnel, wie sie für die vorliegende Erfindung zum Einführen einer Sauerstofflanze benötigt werden, vorhanden sind. Die gezielte Zuführung von Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereichertem Gas zu einem sekundären Brennstoff kann dessen Verbrennung erheblich verbessern und damit den Schadstoffausstoß, insbesondere den Ausstoß an Kohlenmonoxid, signifikant verringern.

1

Drehrohrofen

2

Zement

3

Brenneranordnung

4

Geometrische Mittelachse der Brenneranordnung

5

Hauptbrenner

6

Primäre Flamme

7

Erster Strahl

8

Zweiter Strahl

9

Kreuzungsbereich von erstem und zweitem Strahl

10

Sekundärer Brennstoff

11

Sauerstoff

12

Sauerstofflanze

13

Lagewinkelanzeige

14

Abgewinkelte Düse

15

Zusatzdüse

16

Erster Zufuhrtunnel

17

Zweiter Zufuhrtunnel

18

Weiterer Zufuhrtunnel

19

Zufuhrtunnel für sekundären Brennstoff

20

Zufuhrtunnel für Sauerstofflanze

21

Sauerstofftank

22

Sauerstoffleitung

23

Einlassflansch

24

Abgasabzug

25

Analysegerät

26

Isolierung

27

Geometrische Mittelachse der Sauerstofflanze

α

Düsenwinkel

D

Durchmesser des Zufuhrtunnels für die Sauerstofflanze

d

Durchmesser der Sauerstofflanze

E

Entfernung des Kreuzungsbereiches von der Brenneranordnung