LU103394B1

LU103394B1 - Messung des Falschlufteintrages in eine Oxyfuel Anlage

Info

Publication number: LU103394B1
Application number: LU103394A
Authority: LU
Inventors: Michael Drepper; Peter Rickert
Original assignee: thyssenkrupp Polysius GmbH; Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2024-10-02
Filing date: 2024-10-02
Publication date: 2026-04-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Messung des Falschlufteintrages in einer Anlage zur thermischen Behandlung, wobei an die Anlage ein Durchflusselement (70) und an das Durchflusselement (70) eine Pumpvorrichtung (80) angeschlossen wird, wobei der Druck im Inneren der Anlage erfasst wird, wobei die Pumpvorrichtung (80) so geregelt wird, dass ein Unter- oder Überdruck im Inneren der Anlage konstant eingestellt wird, wobei bei konstantem Druck im Inneren der Anlage der Volumenstrom durch das Durchflusselement (70) gemessen wird.

Description

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Messung des Falschlufteintrages in eine Oxyfuel Anlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Falschlufteintrages in einer Anlage, die zur thermischen Behandlung betrieben wird, insbesondere Oxyfuel-Anlagen zur

Herstellung von Klinker aus Kalkstein in der Zementindustrie, um so eine Abschätzung hinsichtlich der Dichtheit der Anlage zu treffen.

Oxyfuel-Anlagen werden anstelle von herkömmlichen Anlagen nicht mit Luft, sondern mit möglichst reinem Sauerstoff betrieben. Im Ergebnis bestehen die Abgase aus

Kohlendioxid und aus wenigen weiteren Verbrennungsprodukten, wenn entsprechende

Elemente durch den Brennstoff eingebracht werden. Somit erhält man am Ende einen vergleichsweise reinen Kohlendioxidgasstrom, welcher in wirtschaftlicher Weise abgetrennt werden kann und somit werden CO--Emissionen in die Atmosphäre vermieden.

Daher ist es wünschenswert den Falschlufteintrag in eine Oxyfuel - Anlage zu minimieren, da durch den Eintrag von Luft und damit von Stickstoff die Reinheit des Kohlendioxids verringert wird. Dabei besteht jedoch kein Anspruch auf absolute Dichtigkeit, da einige

Falschlufteinträge üblicherweise unvermeidbar sind.

Gerade in der Zementindustrie wird die Oxyfuel-Technologie als Möglichkeit gesehen, die Kohlendioxidemission zu reduzieren, da neben dem aus der Verbrennung stammenden Kohlendioxid weiteres Kohlendioxid prozessbedingt aus dem Kalkstein freigesetzt wird, sodass die Kohlendioxidemissionen vergleichsweise hoch sind.

Jedoch sind die Anlagen vergleichsweise groß, alleine der Drehrohrofen hat üblicherweise bereits eine Länge von 50 m oder auch deutlich mehr. Und auch Calcinator und Vorwärmer sind oftmals in einem vergleichsweise großen Turm von 50 m oder auch deutlich mehr integriert. Die Dichtheitsanforderungen hinsichtlich des zulässigen

Falschlufteintrages in die Prozessgasatmosphäre bei diesen Anlagen, die bis zu 1.000 m*/h oder auch deutlich mehr betragen kann, ist im Vergleich zu den

Anforderungen, die mit klassischen Dichtheitsprüfung erfüllt werden müssen, deutlich geringer. Daher sind klassische Dichtheitsprüfungen für diese Anwendung nicht sinnvoll.

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Weiterhin steht die quantitative Messung des Falschlufteintrages im Vordergrund und nicht eine qualitative Aussage hinsichtlich der Dichtheit der Anlage. Gleichzeitig ist aber fur das Erreichen der Spezifikationen wichtig, den tatsächlichen Volumenstrom mengenmäßig zu kennen, da sich daraus schon vor der Inbetriebnahme gegebenenfalls

Optimierungs- oder Reparaturmaßnahmen an den Komponenten ergeben können, um eine entsprechende Fertigungs- und Montagequalität sicherzustellen und somit die

Reinheit des Kohlendioxids im Abgas zu erhöhen. .

Aufgabe der Erfindung ist es, den Falschlufteintrag in einer Anlage quantitativ zu erfassen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen

Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der quantitativen Messung des

Falschlufteintrages in eine Anlage zur thermischen Behandlung, beispielsweise einer

Zementanlage. In einer Zementanlage werden beispielsweise thermisch Kalkstein zu

Klinker oder Tone zu calcinierten Tonen umgesetzt, um so Ausgangsstoffe für Zement herzustellen. Bevorzugt handelt es sich bei der Anlage um eine Oxyfuel-Anlage, also eine

Anlage, welche als Oxidationsmittel nicht Luft, sondern Sauerstoff, bevorzugt mit wenigstens 90 Vol.-%, bevorzugt mit wenigstens 95 Vol.-%, besonders bevorzugt wenigstens 99 Vol.-% Sauerstoff verwendet. Die Reinheit des Kohlendioxidgasstromes wird vom Falschlufteintrag negativ beeinflusst. Daher muss der Falschlufteintrag quantitativ bekannt sein, auch um festzustellen, ob gegebenenfalls Leckagen vorliegen, die gefunden und abgedichtet werden müssen. An die Anlage wird ein Durchflusselement angeschlossen. Dieses erfolgt bevorzugt an einem Punkt, an dem ohnehin ein Gasstrom in die Anlage hinein oder aus der Anlage hinausbefördert wird, also eine entsprechende

Öffnung ohnehin existiert. Das Durchflusselement dient zur Erfassung des Volumen- oder

Massenstromes des geförderten Gases. An das Durchflusselement wird eine

Pumpvorrichtung angeschlossen. Somit kann über die Pumpvorrichtung Gas aus der

Anlage beziehungsweise in die Anlage gefördert werden und der genaue Volumenstrom über das Durchflusselement erfasst werden. Der Druck im Inneren der Anlage wird

240448P00LU > LU103394 erfasst. Die Pumpvorrichtung wird so geregelt, dass ein Unterdruck oder ein Uberdruck im Inneren der Anlage konstant eingestellt wird, welcher den Druckverhältnissen im regulären Anlagenbetrieb im Inneren der Anlage entsprechen und üblicherweise 200 Pa zu 20.000 Pa betragen kann. Dadurch wird die im realen Betrieb anfallende

Falschluftmenge bestimmt. Hierzu ist zunächst die Pumpleistung höher, um den

Unterdruck beziehungsweise Überdruck zu erreichen, im stationären Zustand ist dann der Druck im Inneren konstant und wird auch während der Prüfung konstant geregelt. Die dann geférderte Falschluftmenge, welche kontinuierlich in die Anlage durch Leckagen einstrômt beziehungsweise bei einem Überdruck entsprechend einer im Regelbetrieb bei

Unterdruck einstromenden Falschluftmenge entsprechenden ausstrémenden

Gasmenge, wird in diesem stationären Zustand quantitativ durch das Durchflusselement erfasst. Es wird somit bei konstantem Druck im Inneren der Anlage der Volumenstrom durch das Durchflusselement gemessen, also in einem stationaren Zustand. Es handelt sich damit eben nicht um eine klassische Dichtheitsprüfung, denn die Anlage ist eben nicht dicht und nicht vergleichbar mit den Dichtheiten der Anlagen, die klassischer Weise geprüft werden, sondern weist größere Leckagen auf, als bei klassischen

Dichtheitsprüfungen, die auch akzeptabel sind. Damit ist vor der Inbetriebnahme der

Anlage eine Prüfung des Falschlufteintrages notwendig, um zu prüfen, ob die vorgegebenen Reinheitswerte fur das Kohlendioxid erreicht werden kénnen.

Wird festgestellt, dass der Falschlufteintrag zu groß ist, kann nach Leckagen gesucht, diese abgedichtet und dann das Verfahren wiederholt werden. Diese Prüfung sowie die oben dargestellt Dichtheitsprüfung kann mit Unter- oder Überdruck durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Durchflusselement ein

Laminarflusselement verwendet. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein

Rohrbündel mit bekanntem Strémungswiderstand. Der Volumenstrom wird über den

Druckabfall an dem Laminarflusselement erfasst. Dazu wird vor und nach dem

Laminarflusselement der Druck gemessen und aus der Druckdifferenz mit dem bekannten Strémungswiderstand der Volumenstrom ermittelt.

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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Durchflusselement mit

Temperatursensor verwendet. Der Volumenstrom wird entsprechend der erfassten

Temperatur korrigiert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Durchflusselement mit

Feuchtigkeitssensor verwendet. Der Volumenstrom wird entsprechend der erfassten

Feuchtigkeit korrigiert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Durchflusselement sowohl einen Temperatursensor als auch einen Feuchtigkeitssensor auf. Dieses ermöglicht den gemessenen Durchfluss entsprechend zu korrigieren.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in der Anlage ein Unterdruck von 20 bis 20.000 Pa eingestellt. Dieses entspricht üblichen Drücken, die bei der thermischen

Behandlung, beispielsweise in einem Zementwerk, vorherrschen. Diese werden durch entsprechende Saugventilatoren erzeugt, die damit den Gasstrom durch die Anlage sicherstellen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der gemessene Volumenstrom mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert wird aus dem nominellen

Abgasvolumenstrom der Anlage und dem aus einer Reinheitsvorgabe des Abgases gebildet. Hat die Anlage beispielsweise einen nominellen Abgasvolumenstrom von 10.000 Normkubikmetern pro Stunde und soll die Reinheit wenigstens 95 % betragen, so ergibt sich, dass sich mit einem Falschlufteintrag von mehr als 500 Normkubikmetern pro

Stunde dieses Ziel nicht mehr erreichen lässt. Da zusätzlich weitere Falschluftquellen bestehen, insbesondere aus Materialeintrag und -austrag sowie Brennstoffzufuhr, die mit diesem Verfahren nicht miterfasst werden, sollte der gemessene Wert den Grenzwert vorzugsweise entsprechend unterschreiten.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden vor Durchführung des

Verfahrens Öffnungen der Anlage verschlossen. Dieses umfasst beispielsweise

Brennstoffzuführungen, Öffnungen für Probenahmen und dergleichen. Diese können beispielsweise durch Absperrhähne oder Steckscheiben verschlossenen werden, die

240448P00LU ) LU103394 meist ohnehin vorgesehen und damit bereits in der Anlage enthalten sind. Da das

Verfahren auch im Bau durchgeführt wird, kann es sein, dass gewisse

Anlagenkomponenten noch nicht vorhanden sind. Solche Anschlüsse für diese

Komponenten können dann beispielsweise mit einem Blindflansch verschlossen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen Materialkühler auf. Zum Verschluss wird ein Abtrennelement in den Materialkühler eingebracht.

Bevorzugt wird das Abtrennelement an die Stelle eingebracht, an welcher auch im laufenden Betrieb die Trennung von Oxyfuel-Prozessgasatmosphäre und

Umgebungsluft erfolgt.- Üblicherweise wird nur der erste Teil (heißester Bereich) des

Materialkühlers genutzt, um den Sauerstoff vorzuwärmen, während die Restkühlung des

Klinkers auf nahe Umgebungstemperatur einfach mit Umgebungsluft durchgeführt wird.

Dazu weist der Materialkühler üblicherweise Trennelemente auf, die aber ohne einen

Materialstrom, der bei der Prüfung nicht vorhanden ist, eine wesentlich größere

Undichtheit aufweisen und sich somit einen sehr großen und verfalschenden

Falschlufteintrag bei diesem Verfahren ergeben würde. Daher wird hier vorzugsweise eine vollständige Abdichtung vorgenommen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen Saugventilator auf, welcher im Regelbetrieb den Gasstrom durch die Anlage erzeugt und meist am Ende der Vorrichtung, beispielsweise vor dem Schornstein, angeordnet ist. Der Saugventilator wird vor Durchführung des Verfahrens abgetrennt beziehungsweise ist gegebenenfalls noch nicht installiert. Die Zuführung zum Saugventilator wird verschlossen.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Prüfung einer beispielhaften Zementanlage

In Fig. 1 ist die Prüfung einer beispielhaften Zementanlage dargestellt, anhand der das

Verfahren erläutert werden soll.

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Geprüft werden soll eine Zementanlage nach dem Oxyfuel - Verfahren. Im Regelbetrieb wird Uber die Materialzufuhr 12 Kalkstein beziehungsweise Rohmehl in den Vorwärmer 10 eingebracht, von dort in den Calcinator 20, anschließend in den Ofen 30 und abschließend in den Materialkühler 40. Der Gasstrom läuft zu diesem Materialstrom im

Gegenstrom, und zwar von der Sauerstoffquelle 50 Uber den Materialkühler 40, den Ofen 30, den Calcinator 20 und den Vorwärmer 10 zur Kohlendioxidabtrennung 60. Solche

Anlagen sind dem Fachmann beispielsweise aus der DE 10 2018 206 673 A1 oder der

DE 10 2018 206 674 A1 bekannt. Das Verfahren dient insbesondere dazu, vor der

Inbetriebnahme der Anlage den Falschlufteintrag quantitativ zu bestimmen und dadurch bereits frühzeitig die Reinheit des Kohlendioxids vorhersagen und nachweisen zu können beziehungsweise gegebenenfalls zusätzliche AbdichtungsmaBnahmen vornehmen zu können.

Zur Vorbereitung des Verfahrens werden zunächst die Materialzufuhr 12, die

Sauerstoffzufuhr von der Sauerstoffquelle 50, die Calcinatorbrennstoffzufuhr 22 und die

Ofenbrennstoffzufuhr 32 sowie die Abgasleitung zur Kohlendioxidabtrennung 60 mit

Absperrelement 100 verschlossen, welche üblicherweise vorhandenen sind. Der

Materialkühler 40 weist in der Darstellung einen linken Bereich auf, welcher im Oxyfuel-

Betrieb liegt und einen in der Darstellung rechten Bereich, welcher mit Umgebungsluft betrieben wird. Hier zwischen wird ein Abtrennelement 102 eingebaut, um den Oxyfuel-

Bereich sauber abzutrennen.

Es wird ein Durchflusselement 70 und daran eine Pumpvorrichtung 80 angeschlossen.

Beide werden Uber eine Steuervorrichtung 90 gesteuert, welche zusätzlich mit einer

Druckmessvorrichtung, welche beispielsweise im Calcinator 20 angeordnet ist, verbunden. Hierzu kann eine ohnehin vorhandene Druckmessvorrichtung verwendet werden. Es wird der übliche Betriebsdruck vorgegeben, beispielsweise 5.000 Pa unterhalb des Umgebungsdrucks. Nun wird die Pumpenvorrichtung 80 aktiviert und so durch die Steuervorrichtung 90 geregelt, dass sich stabil der vorgegebene Prüfdruck einstellt. Ist dieser stationäre Zustand erreicht, so wird am Durchflusselement 70 der

Volumenstrom gemessen, welcher dem Falschlufteintrag entspricht. Vorzugsweise wird dazu am Durchflusselement 70 auch Temperatur und Feuchtigkeit gemessen, um diese

Werte bei der Kalkulation zu berücksichtigen.

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Bezugszeichen 10 Vorwärmer 12 Materialzufuhr 20 Calcinator 22 Calcinatorbrennstoffzufuhr 30 Ofen 32 Ofenbrennstoffzufuhr 40 Materialkühler 50 Sauerstoffquelle 60 Kohlendioxidabtrennung 70 Durchflusselement 80 Pumpvorrichtung 90 Steuervorrichtung 100 Absperrelement 102 Abtrennelement

Claims

240448P00LU ' LU103394 Patentanspriiche

1. Verfahren zur quantitativen Messung des Falschlufteintrages in eine Anlage zur thermischen Behandlung, wobei an die Anlage ein Durchflusselement (70) und an das Durchflusselement (70) eine Pumpvorrichtung (80) angeschlossen wird, wobei der Druck im Inneren der Anlage erfasst wird, wobei die Pumpvorrichtung (80) so geregelt wird, dass ein Unter- oder Uberdruck im Inneren der Anlage konstant eingestellt wird, wobei bei konstantem Druck im Inneren der Anlage der Volumenstrom durch das Durchflusselement (70) gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage ein Unter- oder Uberdruck von 200 bis 20.000 Pa eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflusselement (70) ein Laminarflusselement verwendet wird und der Volumenstrom über den Druckabfall an dem Laminarflusselement erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflusselement (70) mit Temperatursensor verwendet wird, wobei der Volumenstrom entsprechend der erfassten Temperatur korrigiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchflusselement (70) mit Feuchtigkeitssensor verwendet wird, wobei der Volumenstrom entsprechend der erfassten Feuchtigkeit korrigiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Volumenstrom mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei der Grenzwert aus dem nominellen Abgasvolumenstrom der Anlage und einer Reinheitsvorgabe des Abgases gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Durchführung des Verfahrens Öffnungen der Anlage verschlossen werden.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Materialkühler (40) aufweist, wobei zum Verschluss ein Abtrennelement (102) in den Materialkühler (40) eingebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen Saugventilator aufweist, wobei der Saugventilator vor Durchführung des Verfahrens abgetrennt und die Zuführung zum Saugventilator verschlossen wird.