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Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades von abgedichteten Gebläseöfen und Gebläseofen- anlagen.
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vorzugsweise zwischen 2 und 7 aft liege und sodann durch die Ventilsteuerungen geregelt wird. Ins- besondere umfasst ausser den genannten Ein-und Auslassventilsteuerungen die bevorzugte Anordnung des Gebläseofens und seiner Zubehörteile zur Verwirklichung des Verfahrens gemäss der Erfindung einen Kompressor zur Erhöhung des Druckes des oder der Gebläsegase, einen Kühler zur Verringerung der Temperatur des komprimierten Gebläsegases unter den Taupunkt und einen Trockner oder Ent- wässerer zur Kondensation der darin befindlichen Feuchtigkeit durch Ausscheidung, bevor die Gase der Windleitung mit einem vorbestimmten hohen Druck zugeführt werden,
welcher durch geeignete
Einstellung der Einlass-und Auslassventilsteuerungen des Ofens geregelt und aufrechterhalten wird.
Die Gichtgasleitung führt die brennbaren Gichtgas vorzugsweise einer Brennkraftmasehine oder einer Druckgasmasehine oder Turbine geeigneter Form zu, vermittels welcher ein in der Windleitung liegender Kompressor angetrieben wird, wobei Staubabscheider vorgesehen sind, um aus dem Gichtgas vor Einführung in die Kraftmaschine den Staub zu entfernen. Gewünschtenfalls kann ein Teil des Gicht- gases den Winderhitzern zugeführt werden, um den Gebläsewind in bekannter Weise vorzuheizen, aber einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, dass die Anwendung der Winderhitzung in manchen
Fällen entbehrlich gemacht wird.
Es ist ersichtlich, dass bei einem Hochofen, welcher in der Windzuleitung und in der Giehtgas- ableitung mit Ventilsteuerungen ausgerüstet und mit Wind unter hohem Druck betrieben wird, die
Geschwindigkeit des durch den Ofen hindurchtretenden Windes bei einem vorbestimmten statischen
Druck durch geeignete Ventileinstellung geregelt werden kann mit dem Ergebnis, dass der statische
Innengasdruck je nach den Erfordernissen um ein Mehrfaches erhöht wird.
Die Erfindung soll nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 gibt eine schematische Darstellung der Erfindung in Anwendung auf eine vorhandene Hochofenanlage, Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Anordnung der Hilfseinrichtung für eine Neuanlage, bei welcher der Druck der Gichtgas vorteilhaft zum Betrieb einer Kompressormaschine für die
Gebläseluft ausgenutzt wird.
In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Hochofen bekannter Bauart, welcher jedoch insofern abgeändert ist, als er am oberen Ende einen doppelten Gichtverschluss 11 aufweist, welcher als Druckschleuse dient, so dass der im Ofensehaeht 10 ausgebildete Druck auch während der Beschickung aufrechterhalten wird.
Die Windleitung 12 ist ebenfalls von üblicher Bauart und wird von der Windzuleitung 13 gespeist, die mit einem Steuerventil. M gemäss der Erfindung ausgerüstet ist. Die Luft oder ein anderes Gas für den Wind wird vom Kompressor 15 auf einen vorbestimmten Druck verdichtet, z. B. auf 5 atü. Das Druckgas wird durch einen Kühler 16 geleitet, welcher die Kompressionswärme abführt und die Temperatur des Druckgases unter den Taupunkt erniedrigt. Das Druckgas strömt dann durch einen Trockner 17, welcher die Feuchtigkeit im Gas niederschlägt, so dass bei dem angenommenen Druck von 5 atil 75% der ursprünglich 70% betragenden Luftfeuchtigkeit entfernt werden.
Die Erfindung bietet demnach ein bequemes Mittel zum Trocknen des Windes mit einer sehr einfachen zusätzlichen Einrichtung. Die Vorteile eines trockenen Windes sind augenscheinlich, da mit trockenem Wind die Temperatur an den Formen beträchtlich höher ist als mit nassem Wind.
Aus dem Trockner strömt das Druckgas entweder direkt in die Rohrleitung 13 und durch das Steuerventil14 oder es kann auch in üblicher Weise durch Winderhitzer. 18 vorgewärmt werden.
Der statische Druck innerhalb des abgedichteten Ofens 10 und die Windgeschwindigkeit in diesem werden durch das Drosselventil 19 in der Gichtgasleitung 20 gemäss der Erfindung geregelt.
Das Drosselventil 19 und das Steuerventil14 können je nach den Erfordernissen von Hand oder durch Druck betätigt werden. So kann bei dem angenommenen Kompressordruck von 5 atü und einem gewissen Druckabfall zufolge Reibungsverluste in der Windleitung und dem Erhitzer der statische Druck im Schacht auf mindestens 4 alibi gehalten werden.
Die im Hochofen 10 entstehenden brennbaren Gase (Gichtgase) werden unter Druck durch einen Staubabscheider 21 geführt und in einer Expansionsmaschine, z. B. Turbine 22, expandiert, deren Krafterzeugung zum Antrieb des Kompressors 15 mit herangezogen werden kann, wobei die Antriebsverbindungen durch die Wellen : 23 und das Differentialgetriebe 24 angedeutet sind. Ein Teil
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mit dem Kompressor 15 verbunden ist. Ein Teil des restlichen Gichtgases kann durch Rohrleitung 26 den Winderllitzern 18 zugeführt werden, falls eine Vorwärmung des Windes erwünscht ist.
Der Rest des Gichtgases wird durch Rohrleitung 27 einem Dampfkessel od. dgl. zugeführt, um zusätzliche Kraft zum Betrieb der Fördereinrichtungen u. dgl. zu erzeugen.
Eine Anordnung, in der von dem hohen Winddruck und dem hohen Gichtgasdruck vorteilhaft Gebrauch gemacht wird, ist schematisch in Fig. 2 veranschaulicht, in welcher die Steuerventile dz und 19', wie bereits oben beschrieben, in der Windzuleitung und Gichtgasableitung 13'bzw. 20'verwendet werden. Das Gichtgas wird unter Druck durch den Staubabscheider 21'geleitet und ein Teil des entstaubten Gases der Brennkraftmaschine 23'zugeführt, welche durch Wellen 23'direkt mit dem Kompressor 15'verbunden ist, welcher die Luft in der beschriebenen Weise verdichtet.
Die Druck- luft strömt durch Kühler 16', Trockner 17'und gewünschtenfalls durch Winderhitzer 18', welche mit
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Die Gasmaschine 25'wird mit Druckluft aus Leitung 13'über Leitung 28 versorgt, so dass sowohl das Brenngas als auch die Verbrennungsluft unter wesentlichem Überdruck in die Maschine eingeführt werden und deren Wirkungsgrad hoch ist. Der Rest des Gichtgases wird durch Rohrleitung 27'Dampfkesseln od. dgl. für irgendeinen Zweck zugeführt.
Bei Betrieb des Hochofen gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren und mit der beschriebenen Einrichtung wird der statische Druck im Ofenschacht 10 durch anfängliches Schliessen des Ventils 19
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Ventil 19 oder 19'kann natürlich durch ein Ventil ersetzt werden, welches das Einströmen der Gase in die Turbine, Maschine od. dgl. steuert.
Wenn der statische Gasdruck im Ofen den vorbestimmten Wert erreicht hat, wird das Steuerventil19 oder 19'von Hand oder durch selbsttätige druckgesteuerte Mittel üblicher Bauart geöffnet, u. zw. um einen Betrag, welcher gestattet, dass der Wind durch den Ofen mit der richtigen vorbestimmten Geschwindigkeit hindurchtritt, wobei das Ventil 14 in der Windzuleitung 13 von Hand oder selbsttätig durch druckgesteuerte Mittel geregelt wird, um die richtige Eintrittsgeschwindigkeit des den Schacht durchströmenden Windes aufrechtzuerhalten.
Beispielsweise sei angenommen, dass der statische Innendruck im Schacht 10 auf das Vierfache oder um 4 bis 5 alü in dieser Weise erhöht wird. Da die Geschwindigkeit von Reaktionen zwischen gasförmigen und festen Stoffen eine direkte Funktion der Konzentration der gasförmigen Reaktion- teilnehmer ist, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffes und die Reduktion des Erzes ebenfalls auf das Vierfache erhöht. Wenn jedoch die Windgeschwindigkeit die gleiche bleibt wie beim normalen Betrieb, bleibt die im Ofen pro Zeiteinheit stattfindende gesamte chemische Umsetzung im wesentlichen ungeändert. Infolgedessen wird das Erz tatsächlich dem Vierfachen der normalen
Reduktionswirkung ausgesetzt, was mehr als genug ist, um die vollständige Reduktion zu gewährleisten, lange bevor es die Hochtemperaturzonen des Schachtes erreicht.
Das Ergebnis besteht in der wesent- lichen Ausschaltung des Kohlenstoffverlustes und einer Annäherung an den idealen Hochofenbetrieb.
Die Anwendung des Druckes bietet weitere Vorteile, beispielsweise machen es die wesentliche
Ausschaltung des Kohlenstoffverlustes und der erhöhte Wirkungsgrad bei der Wärmeausnutzung bei
Konstanz der übrigen Bedingungen möglich, das Verhältnis von Koks zu Erz beträchtlich zu verringern, d. h. die Belastung des Ofens zu erhöhen. Da in dem angenommenen Beispiel die Windgeschwindigkeit die normale ist, wird der Koks mit normaler Geschwindigkeit an den Formen verbrannt und der Durch- satz des Ofens daher im Verhältnis zur erhöhten Belastung gesteigert. Es wurde gefunden, dass unter solchen Bedingungen bei Verwendung von normal vorerhitztem Wind die Kapazität eines Ofens von beispielsweise 400 t pro Tag auf 500 t erhöht wird, während der erforderliche Koks von etwa 900 kg bis herunter auf etwa 660 kg pro Tonne Roheisen verringert wird.
Es wurde ferner festgestellt, dass die im Herd verfügbare Hochtemperaturhitze weit grösser ist als erforderlich, statt dass sie, wie üblich, geringer ist. Der Überschuss der Hochtemperaturhitze im Herd ist in der Tat so gross, dass es möglich wird, kalten Wind zusammen mit einem grösseren Anteil an Brennstoff zu verwenden mit dem Ergebnis, dass im Vergleich zum normalen Betrieb der Durchsatz zwar um 7% verringert, aber die pro Tonne Roheisen erforderliche Koksmenge um 4% herabgesetzt wird. Diese geringe Kapazitätsverringerung wird bei weitem überwogen durch die Koksersparnis, durch die Ausschaltung der Winderhitzer und die Verfügbarmachung des Gichtgases, welches sonst zur Aufheizung des Windes erforderlich ist, für andere Zwecke.
Bisher wurde angenommen, dass die Windgeschwindigkeit auf dem normalen Wert gehalten wird. Wenn man jedoch annimmt, dass die Windgeschwindigkeit im Verhältnis zur Druckzunahme erhöht wird, dann ist es klar, dass der gesamte chemische Umsatz innerhalb des Schachtes pro Zeiteinheit ebenfalls im wesentlichen im gleichen Verhältnis erhöht wird, woraus folgt, dass die Wärmebilanz des Ofens und der Kohlenstoffverlust ebenso gross sein wird wie bei den bisherigen Betriebsverfahren. Es besteht daher eine bestimmte obere Windgeschwindigkeitsgrenze, deren Überschreitung einen Verlust der durch den Betrieb des Ofens unter erhöhtem Druck erzielten Vorteile mit sich bringen würde.
Infolgedessen ist es notwendig, dass der Erhöhungsgrad der angewandten Windgeschwindigkeit über die normale Windgeschwindigkeit geringer gewählt wird als der Erhöhungsgrad des angewandten statischen Druckes über den normalen Druck.
Man scheint allgemein anzunehmen, dass die praktische Grenze der Hochofenkapazität bei etwa 1000 t Roheisen pro Tag erreicht worden ist, und da moderne Öfen eine Duchschnittskapazität von der Grössenordnung von 400 bis 500 t pro Tag aufweisen, würde in der Anwendung von Druck lediglich als Mittel zur Kapazitätserhöhung eines Ofens nur ein mässiger Fortschritt liegen. Wie oben ausgeführt, sind aber bei Erhöhung des mittleren absoluten statischen Druckes im Schacht auf beispielsweise das Vierfache, d. h. auf etwa 6 aM und Steigerung der Windgeschwindigkeit jedoch in wesentlich kleineren Verhältnissen, beispielsweise auf das Doppelte, die Ergebnisse für den Ofenbetrieb und die Wirtschaftlichkeit weitreichend.
Die Ausschaltung des Kohlenstoffverlustes und der grössere thermische Wirkungsgrad erhöhen die Ofenkapazität pro Einheit Windgeschwindigkeit um etwa 20% und dies in Verbindung mit der angenommenen Verdopplung der Windgeschwindigkeit erhöht die Ofenkapazität um einen Faktor von etwa 2'5 im Vergleich zum normalen Betrieb. Die Erfindung umfasst daher in ihrer bevorzugten Ausbildungsform die Aufrechterhaltung eines mittleren absoluten statischen Gasdruckes im
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Innern des Hochofenschachtes von etwa dem Vierfachen des normalen Druckes und die Erhöhung der Windgeschwindigkeit um etwa die Hälfte der Zunahme des absoluten statischen Gasdruckes im Schacht.
Im Hinblick auf die grosse für den Wind erforderliche Luftmenge ist es klar, dass die zur Verdichtung des Windes erforderliche Kraft und Einrichtung sorgfältig in Erwägung gezogen werden muss. Es wurde gefunden, dass entgegen der Erwartung ein hoher Winddruck tatsächlich zu einer Verringerung des Nettobetrages der zum Blasen erforderlichen Kraft führen kann. Wenn der mittlere Druck im Ofen auf das Vierfache gesteigert wird, muss der Winddruck von etwa bis 1 atü auf etwa 4 bis 5 atil gesteigert werden, was etwa das Dreifache des normalen Kraftbedarf pro Einheit Windgeschwindigkeit erfordert. Im Falle des normalen Ofenbetriebes geht praktisch die gesamte zur Windverdichtung aufgewandte Arbeit durch Reibung des Gases bei Durchtritt durch den Ofen verloren und das Gas verlässt den Ofen unter im wesentlichen atmosphärischem Druck.
Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung dagegen ist der Druckabfall im Ofen nur ein Bruchteil einer Atmosphäre, so dass bei dem mitgeteilten Beispiel das Gas den Ofen unter angenähert dem statischen Innendruck verlässt.
Infolgedessen kann das Gichtgas in einer Turbine oder einer Kolbenmaschine expandiert werden, wodurch etwa 60% seiner Kompressionsenergie wiedergewonnen werden. Überdies entspricht die Kompressionswärme des Windes einem Temperaturanstieg von etwa 200 C und ein grosser Teil dieser Wärme kann durch Wärmeaustausch zwischen dem komprimierten Wind und dem Gichtgas wiedergewonnen werden, welch letzteres so vor seiner Einführung in die Expansionsmaschine vorgewärmt wird. Auf diese Weise können etwa 80% der usprünglich zur Verdichtung des Windes erforderlichen Kraft wieder in mechanische Energie umgewandelt und zur Verdichtung des Windes benutzt werden.
Der Nettoenergiebedarf für die Windverdichtung bei dem bevorzugten-Verfahren gemäss der Erfindung beträgt etwa die Hälfte des bei normalem Hochofenbetrieb erforderlichen, bezogen auf die Einheit erzeugten Roheisens. Im Falle bestehender Anlagen kann die vorhandene Einrichtung zur Vorverdichtung benutzt und eine zusätzliche Einrichtung vorgesehen werden, lediglich um den Wind von dem vorhandenen Druck auf den erwünschten Druck zu bringen.
Es ist klar, dass beim Hochofenbetrieb nach dem Verfahren gemäss der Erfindung der Wind ohne besondere Kosten getrocknet werden kann, dass der Wind in den meisten Fällen keiner Vorwärmung bedarf, dass der Kohlenstoffverlust praktisch ausgeschaltet wird, dass die Kapazität eines Ofens von gegebener Grösse auf ein Vielfaches erhöht werden kann und dass der grösste Teil der für die Windverdichtung erforderlichen Energie wiedergewonnen und nutzbar verwendet werden kann.
Das Verfahren gemäss der Erfindung umfasst daher Hilfsmittel, wodurch lange bekannte Schwierigkeiten und Beschränkungen hinsichtlich der Herstellung von Roheisen und Ferrolegierungen in Gebläseöfen in weitem Masse überwunden werden können. Durch die wesentliche Ausschaltung des Lösungsverlustes von Kohlenstoff und Beseitigung des Mangels an Herdhitze wird beim Verfahren gemäss der Erfindung die Kapazität eines Ofens gegebener Grösse wesentlich erhöht, das Verhältnis von pro Tonne Produkt erforderlichem Brennstoff verringert und die Notwendigkeit der Winderhitzung
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