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Verfahren und Einrichtung zur Rationalisierung des Betriebes von Industrieöfen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rationalisierung des Betriebes von Industrieöfen mit Einrich- tungen zur Vorwärmung von Luft oder Gasen sowie zur Wassererhitzung mit Hilfe von Abwärme und hat sich zur Aufgabe gestellt, durch schaltungstechnische Massnahmen die Wärmeausbeute aus den Abgasen so zu steigern, dass fast die gesamte verfügbare Wärme ausgenützt werden kann und darüber hinaus noch eine gute Regelungsmöglichkeit in der Verteilung der verfügbaren Wärmemengen auf die Wärmeträger gewähr- leistet wird.
Dies wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass Wassererhitzer und Luftvorwärmer mehrfach un- terteilt und in variabler Reihenfolge hintereinanderschaltbar sind.
Es istallgemein bekannt, dassdie Abwärme von Industrieöfen in erster Linie zur Vorwärmung der Ver- brennungsluft verwendet werden soll.
Die überschüssige Abwärme, welche nicht mehr zum eigenen Wärmeprozess verwendet werden kann, wird allgemein zur Erzeugung von Abhitzedampf verwertet.
Um die Vorwärmung der Verbrennungsluft so hoch als möglich zu machen, hat man vorgeschlagen, möglichst grosse Regeneratoren oder Rekuperatoren zu verwenden. Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei Anlagen mit zu kleinen Regeneratoren oder Rekuperatoren sogenannte Zusatzrekuperatoren zu verwenden.
Da im allgemeinen die im Abgas enthaltene Wärmemenge grösser ist als diejenige Wärmemenge, welche von der Verbrennungsluft aufgenommen werden kann, sollen auch bei Anlagen mit grossen Regeneratoren oder Rekuperatoren oder auch mit Zusatzrekuperatoren Abhitzekessel vorgesehen werden.
Der Nachteil der Anordnung von Zusatzrekuperatoren und Abhitzekessel. legt 1m hohen Anschaftungs - preis und in der unwirtschaftlichen Betriebsweise.
Zur rekuperativen Vorwärmung der Verbrennungsluft und zur Wassererhitzung bzw. Dampferzeugung kann ein gemeinsames Abhitzeaggregat vorgesehen sein.
Bei der Neuplanung von Industrieöfen können dann Investitionskosten gespart werden, weil ein ge- meinsames grosses Aggregat zur rekuperativen Vorwärmung der Verbrennungsluft und zur Abdampferzeu- gung billiger ist als ein separater Rekuperator und ein separater Dampfkessel.
Zur Verbesserung bereits bestehender Industrieöfen ist diese Massnahme besonders gut geeignet, da nachträglich noch mit Hilfe des einen Aggregates eine mangelhafteLuftvorwärmung verbessert werden kann. Durch die Verbesserung der Luftvorwärmung steigt die Abgastemperatur, wodurch der Wirkungsgrad des Aggregates verbessert wird. Die "Thermische Rückkoppelung" verbessert nicht nur den Ofenbetrieb, sondern verbessert auch die Abdampferzeugung.
Bei vielen Industrieöfen kann ein endgültiges Urteil über die richtige Dimensionierung der Luftvor- wärm-Elemente erst nach der Inbetriebnahme des Ofens gefällt werden. Mit Hilfe eines solchen kombinierten Aggregates kann man jedoch nachträglich die Luftvorwärmung korrigieren und gleichzeitig Dampf erzeugen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das neue Verfahren bei Siemens-Martin-Öfen angewendet.
Die rekuperative Rückführung eines Teiles der Abwärme an die Verbrennungsluft erhöht die Temperaturen im S chmelzra um, in den Regeneratoren und im Abgas. Nicht nur die Stahlproduktion, sondern somit auch
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die Dampferzeugung wird rationeller.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Erfindungsgedankens ist bei Öfen mit Regeneratoren, wie z. B. Siemens-Martin-Öfen und Glasschmelzöfen möglich, indem man die Regeneratoren kleiner als bisher üblich dimensioniert und zusätzlich das kombinierte Abhitze-Aggregat zur gleichzeitigen rekuperativen Erwärmung der Verbrennungsluft und zur Wassererhitzung bzw. Dampferzeugung vorsieht. Auf diese Weise wird die Abgaswärmehohen Temperaturpotentials über die Regeneratoren an die Verbrennungsluft übertra - gen, während die Abgaswärme niedrigen Temperaturpotentials über das kombinierte Aggregat einerseits ebenfalls an die Verbrennungsluft übertragen wird, anderseits zur Wassererhitzung bzw. Dampferzeugung dient.
Man kann mit Hilfe des gemeinsamen Abhitze-Aggregates auch andere, am Wärmeprozess beteiligte Komponenten, wie z. B. den Brennstoff, das Zerstäubungsmedium oder in manchen Fällen auch das Schmelzgut usw. vorwärmen.
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betrieb optimale Wärmemenge der Verbrennungsluft zugeführt werden kann. Auch für die andern Komponenten sind ähnliche Reguliereinrichtungen vorgesehen.
Zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens kann mit Vorteil ein Aggregat verwendetwerden, welches so gebaut ist, dass die Wärme-Austausch-Elemente für die Verbrennungsluft und für die Dampferzeugung schichtweise übereinander in einem gemeinsamen Abhitzekessel angeordnet sind. Allerdings kommt bei dieser Anordnung das Gegenstromprinzip nurstufenweisederLuftsowiederDampferzeugungzugute.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 die Gesamtanlage eines Siemens-Martin-Ofens mit Abwärmeverwertungsanlagen. In Fig. 2 ist ein rekuperativer Wärmeaustauscher mit alternierend angeordneten Heizflächen für Luft und Wasser in einem Aggregat veranschaulicht, in Fig. 2a ist eine abgeänderte Ausführung wiedergegeben, Fig. 3 stellt eine Anordnung in getrennten Aggregaten dar. Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform mit im Abgasstrom nebeneinanderliegenden Heizflächen in Auf- und Grundriss. Fig. 6 veranschaulicht schliesslich eine komplette Anlage hinter einem Siemens-Martin-Ofen mit einem dampfbeheizten Luftvorwärmer.
Wie man aus Fig. l erkennen kann, wird der Siemens-Martin-Ofen 11 wechselweise mittels zweier Brenner 12 mit Gas oder Öl beheizt. Unterhalb des Ofens 11 befinden sich die Regenerativkammern 13, die die Verbrennungsluft wechselweise vorwärmen und hiezu die Abgaswärme ausnützen. Zur Umsteuerung der Ströme dienen Schieber bzw. Klappen 14 ; die noch Wärme enthaltenden Abgase strömen über den Ab- gaskanal 1 zu einem rekuperativen Abhitzeverwerter, der hier als Luftvorwärmer 2 und Abhitzekessel 4 in zwei aneinandergebauten Zügen ausgebildet ist. Die Abgase durchströmen zuerst den Abhitzekessel 4, der ihnen gerade so viel Wärme entzieht, dass die durch die Kanäle 5 strömende Verbrennungsluft auf eine be- stimmte Temperatur (z. B. 6000C) vorgewärmt wird.
Die restliche Wärmespitzenenergie erhält siesodann in den Regenerativkammern 13, von denen sie dann mit etwa 13000 C in den Ofen strömt. Die Regeneratoren können so viel kleiner bemessen sein, als wenn sie die ganze Wärme zu übertragen hätten. Die fast vollständig abgekühlten Abgase verlassen die Anlage durch den Kanal 6.
In Fig. 2 ist eine etwas andere Ausbildung des Abhitzeverwerters schematisch veranschaulicht. Hiersind in einem Zug Luft- 2 und Wassererheizflächen 4 abwechselnd angeordnet. In Fig. 2a ist eine besondere Anordnung der Lufterhitzer 2 und Wassererhitzer 4 schematisch dargestellt. Zum Zwecke des Schutzes gegen extrem hohe Temperaturen sind die Lufterhitzerelemente im kurzen gegen Überhitzung gefährdeten Teil im Gleichstrom, jedoch dann im Gegenstrom geschaltet. Ausserdem sind die Elemente des Wassererhitzers 4 aus dem gleichen Grunde in der genannten gefährdeten Zone mit den Lufterhitzern 2 ineinander verschachtelt bzw. wärmetechnisch innig miteinander verknüpft. Diese Massnahmen können einzeln oder gemeinsam in beliebigen geometrischen Kombinationen jeweils nach den vorhandenen Raumverhältnissen und Materialeigenschaften angewendet werden.
Bei der Ausbildung nach Fig. 3 sind Wasser- 4 und Lufterhitzer 2 in ganz getrennten Aggregaten im Abgaskanal l angeordnet, wobei dieser durch Sperrklappen 16, 17, 18 verschlossen ist und der Abgasstrom so in Zwei-Zug-Wärmetauscher 15, 2, 4 gelenkt wird. Diese sind so hintereinander angeordnet, dass zuerst ein Überhitzer 15, dann der Lufterhitzer 2 und schliesslich die Verdampferheizflächen 4 durchströmt werden. Durch Betätigen der Klappen 16, 17, 18 kann je nach Bedarf jede dieser Heizflächenganz oder teilweise aus dem Abgasstrom herausgenommen werden.
Bei der Ausbildung nach den Fig. 4 und 5 sind demgegenüber die Heizflächen 2 für die Luft und die
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Heizflächen 4 für das Wasser bzw. die Heizflächen 15 für den Dampf nebeneinander im Abgasstrom 1 an- geordnet. Eine Regelung der Wärmeaufnahme kann hier entweder durch einen darunter befindlichen Schie- ber 16 oder durch verschiedene Durchlaufgeschwindigkeiten der zu erwärmenden Medien erzielt werden.
Die Heizflächen 2 für die Verbrennungsluft 5 und die Heizflächen 4 für das Wasser sind längs der Abi gasstromrichtung 6 nebeneinander angeordnet, so dass das Gegenstromprinzip kontinuierlich der Vorwär- mung der Verbrennungsluft 5 sowie der Erzeugung und Überhitzung des Dampfes bei 15 zugute kommt. Die versetztübereinanderliegenden Wärmeaustauschelemente für die Verbrennungsluft und für den Dampf er- möglichen einen guten Wärmeaustausch. Die notwendigen Saugzilgeabzw. Gebläse sind nicht dargestellt.
In Fig. 6 ist ein an einen Siemens-Martin-Ofen 11 angeschlossenes Aggregat 7 dargestellt, in wel- chem der Dampf auch zur Wärmeübertragung vom Abgas 6 an die Verbrennungslutt & verwendet wird. Zur
Angleichung des Wärmebedarfes der Verbrennungsluft 5 an den im Dampf verfügbaren Wärmeinhalt, sind mehrere Überhitzerelemente 15 und mehrere Lufterhitzer 2 als Heissdampfkühlerelemente vorgesehen, wel- che wechselweise in Serie geschaltet sind. Auf diese Weise wird der Dampf im überhitzten Bereich besser zur Luftvorwärmung ausgenützt. Die Wärmeaustauschelemente 4 für die Erhitzung der Verbrennungsluft 5 sind unmittelbar neben den Wärmeaustauschelementen 15 für die Überhitzung des Dampfes angeordnet, so dass kurze Verbindungswege und geringe Wärmeverluste erzielt werden.
Ausserdem werden durch diese Bauweise Materialkosten für die Aussenwände eingespart. Die Trenn- wand 10 hat nur die Trennung zwischen Abgas 6 und Verbrennungsluft 5 sicherzustellen.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen können auch mit den bekannten Systemen zur Dampfer- zeugung aus Türkühlrahmen von Siemens-Martin-Öfen kombiniert werden. Der hier dargestellte Siemens-
Martin-Ofen besitzt vier Regenerativkammern 13, zwei für Brenngase niederen Heizwertes und zwei für die Verbrennungsluft.
Mit 19 ist ein Schrottvorwärmer bezeichnet, der mit Dampf beheizt wird. Ein ebenfalls dampfbe- heizter Wärmetauscher 20 dient zur Vorwärmung des Brenngases niederen Heizwertes.
Wie man aus den Fig. 7 und 8 erkennen kann, handelt es sich um einen Abhitzekessel, der als stehen- der Wassenohrkessel 101 ausgebildet ist und auf den von einemlndustrieofen kommende'' ! und zumSchorn- stein 102 führenden Abgaskanal 103 aufgesetzt ist.
Zu diesem Zweck ist der Abgaskanal 103 bei 104 angezapft und vor dem Schornstein 102 durch einen Schieber 105 absperrbar. Die Abgase müssen daher ihren Weg durch den Kessel 101 nehmen, wobei sie nach Durchströmen der Kesselheizflächen 126 und der Lufterhitzerheizflächen 106 des Kessels 101 durch einen aufgesetzten Ventilator 107 wieder in den Schornstein 102 gefördert werden.
Um denKessell01 zu regeln oder z. B. beireinigungs-undreparqturarbeiten ganzoder teilweisestill- legen zu können, sind Absperrklappen 108 oben und unten vorgesehen. Der Abgasstrom kann dann durch einen Umgehungskanal 110 strömen, der durch eine Klappe 109 geöffnet wird (Fig. 8).
Um eine besonders gute Zugängigkeit zu den Heizflächen 126 und 106 zu gewährleisten, sind an der Stirnseite des Kessels 101 grosse Türen 111 und 112 angeordnet, die über die ganze Höhe der Heizflächen reichen. Es kann so praktisch jede Stelle erreicht werden und gegebenenfalls können ganze Rohrschlangen- bündel durch die Türen 111 bzw. 112 ausgetauscht werden.
Auch das Reinigen mit Dampf oder Pressluft kann so leicht durchgeführt werden, wobeihartnäckige und backende Ablagerungen auf quer angeströmten Rohrbündeln durch Abblasen senkrecht zum Rauchgasstrom entfernt werden.
Was die dargestellten Ausführungen betrifft, so können deren Elemente. selbstverständlichauch unter- einander vertauscht angeordnet werden. Als Kühlmedien können statt Luft oder Wasser auch Heizöl oder Heizgas vorgewärmt werden, ebenso auch Anteile der Verbrennungsluft für den Ofen oder des Speisewassers für den Abhitzekessel.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Rationalisierung des Betriebes von Industrieöfen mit Einrichtungen zur Vorwärmung von Luft oder Gasen sowie zur Wassererhitzung bzw. Dampferzeugung mit Hilfe von Abwärme, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser-Erhitzer und Luftvorwärmer mehrfach unterteilt und in variabler Reihenfolge hintereinanderschaltbar sind.
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