Moderner Hochimpuls-FLEXIFLAME™ ­Drehofenbrenner

GRECO
Die technischen Grundzüge des Drehofenbrenners der Firma GRECO basieren auf den Berechnungen und Studien von Prof. Clemente Greco, der in Brasilien an der Hochschule für Thermodynamik unterrichtete. In den 90er Jahren wurde nahezu die gesamte brasilianische Zementindustrie auf Petrolkoks-Feuerung umgestellt, um Brennstoffkosten zu sparen. Daran hatte Greco ebenfalls einen wesentlichen Anteil. Der anfangs schwierig zu handhabende Brennstoff Petrolkoks zeigte spezielle Er­fordernisse an das Brennerkonzept. Heute wird dieses Grundprinzip der Drehofenfeuerung weiterhin angewendet. Im Hinblick auf die kombinierte Feuerung mit alternativen Brennstoffen wurden die Greco-Brenner weiter entwickelt und optimiert. Heute ist die Entwicklung der Drehofenbrenner für den Einsatz von bis zu 100 % Ersatzbrennstoff ist bereits weit vorangeschritten.

Greco baute in den frühen 90er Jahren Drehofenbrenner für den lokalen Markt der Zementhersteller und kam frühzeitig für die Umstellung der zahlreichen Schweröl- und Kohlefeuerungen auf den günstigeren Brennstoff Petrolkoks zum Zuge. Aus heutiger Sicht war diese Bauweise der Brenner eine fortschrittliche Technik. Mittels hohem Impuls und achsensymmetrischem Brenneraufbau war es gelungen, Petrolkoks als sicheren Brennstoff zu verwenden und damit die Brennstoffkosten deutlich zu reduzieren. Bis heute hat Greco mehr als 300 Brenner in die weltweite Zementindustrie geliefert, die diese Technik erfolgreich verwendet.

 Seit den Anfängen von Greco hat sich die spezielle, maßgeschneiderte Brenner-Bauweise, eine genau auf die Ofenanforderungen geplante Brennergeometrie, als gute Philosophie der Firma gehalten. Heute findet die Entwicklungsarbeit maßgeblich in Österreich statt, wo die technische Zentrale von Greco seit 2010 unter Beteiligung des Pyroprozessspezialisten A-TEC aufgebaut und betrieben wird. Der R&D Abteilung stehen weitreichende Testmöglichkeiten zur Verfügung, um weitere Entwicklungen im Brennerbau durchführen zu können.

 

Aufbau des Hochimpuls-FLEXIFLAME™ Brenners

Der FLEXIFLAME™ Brenner besitzt eine äußere Primärluftschicht (externe Luft), die mit hohem Impuls und somit mit einer hohen Austrittsgeschwindigkeit maßgeblich für die schlanke, straffe Flammenform des Brenners zuständig ist (Bilder 1 und 2). Die verbrennungstechnisch günstigen Einzelstrahlen als Primärluftaustritt bewirken eine rasche Einmischung der heißen Sekundärluft in die Flamme. Die Einstellung der Flammenform erfolgt über den Primärluftimpuls. Außerhalb und innerhalb des Kohle-/Petrolkokskanales sind zwei Drall-Luftschichten (Tangentialluft & Dispersionsluft) angeordnet, die die gemahlene Kohle intensiv mischen. Man spricht von ­einer doppelt verdrallten Flamme, die dadurch eine höhere Flammenstabilisierung (Kontrolle der Flammenführung) erfährt und einen raschen Flammenansatz (brennernaher Zündpunkt der Flamme) besitzt. Im Vergleich lässt sich daher die Flammengeometrie im Ofen gut kontrollieren, die über das Thermoprofil des Ofenmantels nachvollziehbar wird.

Die zentralen Einbauten des Brenners wie Öllanzen, Ersatzbrennstoffrohre, Zünder, etc. werden über eine Stauscheibe geführt und gekühlt. Wenn es der Brennstoffmix und die Kanalanordnung zulassen, wird auf eine achsensymmetrische Bauweise Rücksicht genommen, da diese Vorteile in der Flammenführung entgegen unsymmetrischen Anordnungen zeigt. Der sehr sichere Brenneraufbau lässt eine sehr genaue Brennereinstellung zu. Alle Brennerkanäle sind getrennt einstellbar und daher gut in der Funktion nachvollziehbar.

Der wichtige Mischimpuls des Brenners wird je nach Ofenanwendung kundenspezifisch laut Anlagenkonfiguration sowie Brennstoffzusammensetzung und Klinker-analyse gewählt. Diese kundenspezifische Brennerauslegung mit einer durchdachten Düsengeometrie hat auch bei sehr sensiblen Öfen, wie z. B. einem Weisszementofen mit Planetenkühler (niedrige Sekundärlufttemperatur), der mit einem Brennstoffmix mit Petrolkoks und festen Ersatzbrennstoffen (Sägemehl & Fluff) betrieben wird, sehr gute Betriebsergebnisse erzielt und dadurch Brennstoffkosten gemindert. Typische spezifische Brenneraus­legungskriterien sind:


Primärluftdrücke: 200–500 mbar

Primärluftmenge: 4–10 %

Axialer Brennerimpuls: 6–14 N/MW

Brennstoffbeladezahl: max. 5 kg/kg Luft

RDF Beladezahl: 2,5–4 kg/kg Luft

Das spezifisches axiales Brennermomentum Ia [N/MW] kann nach Gl. 1 berechnet werden.

 

Ia = ma ∙ va / Pth⇥(1)

 

Dabei ist ma die Masse des axialen Primärluftstroms in [kg/s], va die Geschwindigkeit des axialen Primärluftstroms in [m/s] und Pth die thermische Brennerleistung in der Sinterzone in [MW].

 

Eine weitere Grundidee der Greco-Brenner ist, dass die Bauweise auf Verschleiß in der Konstruktion durch folgende Konstruktionsmerkmale Rücksicht nimmt:

Der Kohlekanal wird ohne Konus oder geometrische Ablenkung ausgeführt (eine Zuluft für Geschwindigkeitsanpassung der Kohleeindüsung ist möglich)

Ersatzbrennstoffrohre sind mit Verbundwerkstoffen am Einlauf geschützt

Mischdüsen für Ersatzbrennstoffe (RDF) sind aus Verschleißgründen außerhalb an der Stauscheibe angeordnet

Kohleeinlaufteile in den Brenner sind strömungsoptimiert und keramisch geschützt

Gute Brennerkühlung (längere Standzeit der Mauerung) durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit im äußeren „Externen Luft“- Kanal.

 

Kohle/Petrolkoks als Brennstoff

Petrolkoks hat bekanntermaßen besondere Eigenschaften beim Abbrand der Flamme und bei der Ausbildung des Wärmeüberganges an das Brenngut. Zu berücksichtigen ist, dass der geringere flüchtige Anteil eine verspätete Brennstoffzündung zur Folge hat und somit eine verlängerte schwarze Zündzone der Flamme bewirkt. Sobald der Brennstoff gezündet hat, erfolgt der Kohlenstoffabbrand, der im Vergleich zur üblichen Steinkohle länger dauern kann und somit eine längere Flamme erzeugen kann.

Speziell bei Brennerbauarten, die mit niedrigen Misch­energien (Mischimpuls I = m · v), d. h. mit niedrigen Primärluftdrücken und geringer Primärluftmenge arbeiten, ist eine Verlängerung der Flamme messbar, die in einer längeren Sinterzone resultiert. Diese verlängerte Sinterzone kann zu unerwünscht hohem Klinker-Kristallwachstum führen, was wiederum in größeren Klinkergranalien resultiert. Die oftmals vermeintliche Kürzung der Flamme mit höheren Drallluftmengen kann diesen Vorgang nur unzureichend kompensieren, da dies mit dem zu niedri­gen Primärluftimpuls meist nur an der Randschicht der Flamme passiert, jedoch nicht bis ins Flammenzentrum vordringen kann. Grundsätzlich sollte ein hoher Drallgrad am Brenner verhindert werden, da dieser den Diabolo-Effekt, d. h. eine anfängliche Flammeneinschnürung mit anschließender trompetenartiger Flammenexpansion bei hohem Drallgrad der Flamme erzeugt, die aber für den Brennprozess kontraproduktiv ist.

 

Emissionskontrolle

Untersuchungen an Öfen kombiniert mit Brenner-Optimierungen haben gezeigt, dass die grundsätzliche Kombination aus geringerer Primärluftmenge mit höherem Impuls sich vorteilhaft auf die geringere NOx-Entwicklung auswirkt. Die Einstellung des innerhalb des Kohlekanals angeordneten Drallluftkanals (Dispersionsluft) zeigt einen wesentlichen Einfluss auf die NOx-Emission. Der Brenner reagiert nachvollziehbar auf eine Abminderung der inneren Rezirkulationszone mit einer NOx-Minderung. Dieser Effekt ist bei bestimmten Anlagen und Brennstoffen sicher vor Vorteil.

 

Feste Ersatzbrennstoffe

Die letzten Optimierungen der FLEXIFLAME™-Brenner betrafen die Untersuchung der Eindüsung und Verbrennung von festen Ersatzbrennstoffen über zentral im Brenner befindliche Rohre. Eine unabhängig von der Förderluft einstellbare Eindüsegeschwindigkeit (typisch zwischen 35-45 m/s, je nach Ofenbauart) hat hier Vorteile gezeigt. Grundsätzlich ist wichtig zu erwähnen, dass die Brennerbauart in Bezug auf feste Ersatzbrennstoffe so gewählt wird, dass Sauerstoff nahe der Ersatzbrennstoff-Ein­düsung vorhanden ist, um eine raschere Zündung der Ersatzbrennstoffe zu begünstigen. Lokal ist in diesem Bereich wenig Sauerstoff vorhanden, da dieser üblicherweise eine höhere Affinität zum Kohleabbrand besitzt. Mit anderen Worten: der Ersatzbrennstoff wird, wenn nicht anders vorgesehen, anfänglich in eine sauerstoffarme Zone der Flamme injiziert, bis dieser nach dem Kohleabbrand genügend Sauerstoff erhält, um in der Flamme zünden und brennen zu können (Bild 3).

Oft wird beobachtet, dass Ersatzbrennstoffpartikel teilweise vorzeitig aus der Flamme ausfallen und im Klinkerbett landen. Der Hauptteil der Ersatzbrennstoffe brennt weiterhin in der Flamme und führt zu einer Flammenverschleppung in Richtung Ofeneinlauf. Diese Problematiken treten je nach Brennstoffzusammensetzung und Zündfreudigkeit bei Einsatzraten von 10-60 % der thermischen Feuerungsleistung am Hauptbrenner auf. Eine weitere Erhöhung der Einsatzrate von festen Ersatzbrennstoffen ist mit der konventionellen, heute bekannten Technik nicht wesentlich zu erhöhen, ohne weitere Problematiken im Ofenbetrieb aufzuwerfen.

 

Brennertechnik der Zukunft

Die weitere Entwicklung der Brenntechnik wird aufgrund der Marktsituation in Europa in Richtung 100 % Ersatzbrennstofffeuerung vorangetrieben. Die Brennergeometrie wird sich dabei entscheidend von der heutigen bekannten Technik unterscheiden. Es werden sowohl 2-dimensionale, wie auch 3-dimensionale Ersatzbrennstoffe verwendet (RDF, Fluff, Plastikfraktionen, vorbehandelter Hausmüll etc.), die speziell aufbereitet werden und in der neu geplanten Brennerserie die Substitutionsraten bis zu 100 % mit Ersatzbrennstoffen zuverlässig zulassen. Der feste Alternativbrennstoff wird dabei zusätzlich kondi­tioniert um die Zündung, Flammenformung und den Ausbrand kontrolliert ähnlich der Kohleflamme zu gestalten. Die bekannten Nachteile der momentanen Brenntechnik am Hauptbrenner wie Flammenverschleppungen (Doppelflammenbildung), reduzierter Brand, hohe Einlauftemperaturen sowie geringere Klinkerqualitäten sollten damit Vergangenheit sein. Das Einsparungspotenzial der klassischen Brennstoffkosten ist hoch und somit sehr interessant für alle Klinkerproduzenten. Diese Technik, an der Greco wieder maßgeblich wie in der Vergangenheit beteiligt ist, wird in Kürze (bis Jahresende) am Markt vorgestellt.

www.greco-ltd.com
Vorteile des FLEXIFLAME™ Brenners:

sehr einfach einstellbare, schlanke Flammenform

hoher Brennerimpuls und doppelt verdrallte Flamme ergibt sehr gute Flammeneinstellbarkeit

geringerer Brennerdurchmesser (kleinere Bauform, geringeres Brennergewicht)

sichere, robuste Brennerbauweise (hohe Betriebssicherheit, wenig Verschleiß)

keine beweglichen Bauteile

konstante Brennerquerschnitte an Brennstoff- und Luftdüsen

möglichst konzentrischer, achsensymetrischer Brenneraufbau

kurze, scharfe Flammeneinstellung möglich um Schwefelkreisläufe zu mindern

möglichst niedrige Primärluftrate mit höherem Impuls = niedrigere NOx Emissionen

Vorbereitungen für zentrale Sauerstoffanreicherung

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