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Röhrenofen zur indirekten Erhitzung von Gasen oder
Flüssigkeiten
Die Erfindung bezieht sich auf Röhrenöfen zur indirekten Erhitzung von Gasen oder Flüssigkeiten und betrifft insbesondere solche Öfen, bei denen die durch deren Rohrsystem geschickten Medien bei relativ kurzen Verweilzeiten sehr hohen Arbeitstemperaturen ausgesetzt werden sollen.
Die bisher bekannten Röhrenöfen sind überwiegend mit einfachen Rohren ausgerüstet, die im Feuerraum des Ofens in Form von Registern, Spiralen oder Bündeln angeordnet sind. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung oder zur Beschleunigung bzw. Auslösung chemischer Reaktionen ist es auch bereits bekannt, die Rohre je nach den gegebenen Verhältnissen mit Einbauten oder Füllkörpern bzw. Katalysatoren auszurüsten.
Bei derartigen Rohrsystemen mit einfachen Rohren sind diese meistens vertikal im Ofenraum angeordnet und sowohl an ihren oberen als auch an ihren unteren Enden gelagert.
Aber auch bei beispielsweise U-förmig oder ähnlich geformten einfachen Rohren lässt es sich nicht vermeiden, dass deren Ein- und Austritte am Ofenraum stets in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sein müssen, wodurch sich bei der temperaturabhängigen Ausdehnung bzw. Zusammenziehung der Rohre besonders im Hochtemperaturbereich sehr schwierig zu meisternde Beanspruchungen ergeben. Hiebei treten nicht nur Verbiegungen und unter Umständen sogar Zerstörungen der Rohre selbst ein, sondern ein besonders schwieriges Problem ist auch die Abdichtung der Rohre an den Ein-bzw. Ausmündungsstelle am Ofenraum, da an diesen Stellen infolge der temperaturbedingten Längenänderungen der Rohre ständig Relativbewegungen zwischen dem Ofenmauerwerk und den Rohren stattfinden.
Man hat diese Schwierigkeiten dadurch zu verringern versucht, indem man hochnickellegierte Stähle für die Rohre verwendet, wodurch deren Festigkeit bei hohen Temperaturen zwar wesentlich vergrössert wurde, die Dichtungsprobleme an den Ein- bzw. Austrittsstellen des Ofenraumes jedoch immer noch nicht völlig beseitigt werden konnten. Neben einer erheblichen Verteuerung bringen die hochnickellegierten Stähle aber auch noch den grossen Nachteil mit sich, dass sie die Strahlungsdurchlässigkeit der Rohre wesentlich verringern, wodurch der Wirkungsgrad der Öfen, die mit derartigen Rohren ausgerüstet sind, naturgemäss stark reduziert wird. Auch kann durch die Nickelbeimengung bei manchen Prozessen eine katalytische Wirkung von den Nickelbestandteilen ausgehen, die ausserordentlich unerwünscht sein kann.
Ausserdem sind nickellegierte Stähle im Hochtemperaturbereich sehr empfindlich gegen Schwefel oder andere im Rauchgas oder im Reaktionsmedium enthaltene Verunreinigungen, weshalb man gezwungen ist, besonders gereinigte und damit teure Brennstoffe zu verwenden.
Um die temperaturbedingten Wärmespannungen zu vermeiden und um andere Vorteile zu erzielen, hat man daher bereits aus dem Wärmetauscherbau bekannte Gegenstromrohre, d. h. ineinandergeschobene Doppelrohre verwendet, u. zw. in der Weise, dass diese durch die Ofendecke mit ihren unteren Enden frei in den Feuerraum hineingehängt sind. Vorzugsweise ist hiebei jedes Gegenstromrohr für sich lösbar und nach oben aus dem Ofen herausziehbar. Durch diese Ausbildung können sich die Rohre nach unten frei ausdehnen und durch die Anordnung der Anschlussflansche jedes einzelnen Gegenstromrohres an die gemeinsamen Zu- und Abführungsleitungen ausserhalb der heissen Zonen des Ofens können auch die an den Verbindungsstellen auftretenden temperaturbedingten Beanspruchungen gut beherrscht werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass auch bei dem letztbeschriebenen Ofentyp noch erhebliche Nachteile auftreten, u. zw. insbesondere dadurch, dass infolge der durch das Rohreigengewicht, die meistens vor-
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handene Katalysatorfüllung der Rohre und auch durch den Innendruck des Reaktionsmediums bedingten
Zugbeanspruchung der Rohre, diese nach einer bestimmten Betriebszeit an ihrem am stärksten auf Zug beanspruchten Querschnitt, d. h. kurz unterhalb ihrer Aufhängungsstelle zu einer fortschreitenden Schwä- chung und damit verbundenen Erhöhung der Gasdurchlässigkeit der Rohrwandung neigen, was bei der be- kannten Ofenkonstruktion noch dadurch geförder wird, dass bei dieser die Beheizung von oben erfolgt, d. h.
die heisseste Stelle nahe den ohnehin am stärksten auf Zug beanspruchten Stellen der Rohre vorhan- den ist. Natürlich kann man diese Erscheinungen auch wieder mildern bzw. auf einen höheren Tempe- raturbereich beschränken, indem man hitzebeständigere, insbesondere hochnickellegierte Stähle für die
Gegenstromrohre verwendet, wobei dann aber wieder die vorstehend schon erörterten Nachteile in Kauf zu nehmen sind.
Die Querschnittsschwächung der hängenden Rohre ist naturgemäss dann besonders schwerwiegend, wenn der betreffende Ofen auf Grund der jeweiligen Betriebserfordernisse öfter an- und abgestellt wird, weil auf Grund der dadurch bedingten Wechselbelastung die Schwächung der Rohrwandung an der am stärksten beanspruchten Stelle wesentlich gefördert wird.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die vorstehend beschriebenen Öfen mit von oben frei in den
Ofenraum gehängten Gegenstromrohren bei Verwendung von Rohren aus Normalstählen aus den angegebenen Gründen höchstens bis etwa 10000C beansprucht werden können. Selbst bei Verwendung von Rohren aus Edelstählen konnte eine Dauerarbeitstemperatur von etwa 12000C nicht wesentlich überschritten werden.
Nun ist es jedoch für-manche Verfahren sehr erwünscht, derartige Öfen auch mit wesentlich höheren Temperaturen, nämlich um etwa 14000C bei relativ kurzen Verweilzeiten der Reaktionsmedien betreiben zu können.
Zur Erreichung dieses Zieles wird nun unter Beibehaltung der Vorteile der zuvor beschriebenen Ofenkonstruktion und Gewinnung zusätzlicher Vorteile erfindungsgemäss vorgeschlagen, die bekannten Gegenstromrohre nur an ihren unteren Enden zu lagern und mit ihren oberen Enden frei in den Feuerraum hineinragen zu lassen. Hiedurch wird der grundlegende Vorteil erreicht, dass die im Hochtemperaturbereich meistens vorhandene grössere Druckfestigkeit der Rohrmaterialien ausgenutzt werden kann, da die Rohre jetzt nicht mehr auf Zug, sondern ausschliesslich auf Druck beansprucht werden.
Hinzu kommt aber auch noch, dass bei mit Katalysator gefüllten Rohren die Katalysatorfüllung selbst nicht mehr die Rohrwandungen beansprucht und der Innendruck in den Gegenstromrohren der durch das Eigengewicht der Rohre bewirkten Druckbelastung derselben wenigstens teilweise entgegenwirkt, anstatt zusätzliche Belastungen hervorzurufen wie bei den hängenden Rohren der bekannten Ofenart.
Besonders vorteilhaft ist es natürlich, die Rohre aus einem Material herzustellen, welches bei den jeweiligen Betriebsbedingungen erheblich höhere Druck- als Zugfestigkeit besitzt. Als hiefür besonders geeignete Materialien kommen keramische oder glasartige Stoffe in Frage und von diesen besonders Quarz, das bei einer Zugfestigkeit von maximal etwa 700 kg/crn2 eine Druckfestigkeit von etwa 23000 kg/cm besitzt.
Die Verwendung z. B. aus Quarz bestehender Rohre bringt zudem den erheblichen Vorteil mit sich, dass diese ultraviolette und viele andere von Stahl absorbierte Strahlungsanteile durchlassen, welche auf Grund ihrer bekannten katalytischen Wirkungen die im Rohrinneren ablaufende Reaktion günstig beeinflussen und ausserdem den Energieaufwand verringern können. Die Verwendung derartiger Werkstoffe für die Gegenstromrohre war bei der bisher bekannten Ofenkonstruktion mit hängenden Rohren wegen der geringen Zugfestigkeit der letzteren bei höheren Temperaturen grundsätzlich nicht möglich.
Die bessere Ausnutzung der Strahlenenergie und die damit verbundene Steigerung der Wärmeübertragungsleistung gestattet es ferner, die Verweilzeit der Reaktionsmedien zu verkürzen, was bei einer grossen Zahl von in Betracht kommenden Prozessen äusserst unerwünschte Nebenreaktionen verhindern hilft. Insbesondere ist aber auch die rasche Erhitzungsmöglichkeit des Reaktionsmediums in vielen Fällen sehr vorteilhaft, beispielsweise um die Entstehung von Kohlenstoffablagerungen vor dem eigentlichen intensiv beheizten und eventuell mit Katalysator gefüllten Reaktionsraum zu vermeiden.
Die stehende Anordnung der Gegenstromrohre gemäss der Erfindung bringt im übrigen den weiteren Vorteil mit sich, dass an den oberen Umlenkstellen die Gefahr von Rohrverstopfungen infolge von Ablagerungen von sich bildendem Russ, Katalysatorstaub od. dgl. vermieden wird, wie diese sich an den unteren Umlenkstellen der bekannten frei hängenden Gegenstromrohre oftmals einzustellen pflegen, da solchen Ablagerungen an den oberen Umlenkstellen durch die Schwerkraft ständig entgegengewirkt wird.
Dadurch, dass die Anschlüsse an die einzelnen Gegenstromrohre erfindungsgemäss unter dem Ofen
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angeordnet sein können, eignet sich ein gemäss der Erfindung ausgebildeter Ofen besonders zur Aufstel- lung im Freien, da diese Anschlussstellen damit von vornherein gut gegen Witterungseinflüsse geschützt sind. Ausserdem ist zum Auswechseln der einzelnen Gegenstromrohreinheiten auch nicht mehr die An- bringung eines Kranes oberhalb des Ofens erforderlich, wodurch bei Aufstellung der Öfen innerhalb ge- schlossener Gebäude diese entsprechend niedriger ausgebildet sein können, sofern man unterhalb des Ofens eine entsprechende Grube zum Herausziehen der einzelnen Gegenstromrohre vorsieht.
Weiter hat es sich als sehr günstig herausgestellt, dass die Ofendecke besonders stabil und dicht aus- gebildet sein kann, da diese infolge der erfindungsgemässen Rohranordnung von Rohrdurchführungen und eventuell auch von Brennern völlig frei gehalten werden kann und damit undichte Stellen, die normaler- weise eine unerwünschte Kaminwirkung infolge des natürlichen Wärmeauftriebes innerhalb des Ofens be- wirken, leichter vermeidbar sind.
Sehr empfehlenswert ist es weiterhin, den Heizgasstrom derart zu führen, dass dieser von den freien
Enden der Gegenstromrohre zu deren Befestigungsenden hin gerichtet ist. Hiedurch werden die infolge
Eigengewicht am stärksten beanspruchten Stellen der Rohre nicht gleichzeitig auch noch wärmemässig am stärksten beansprucht.
Hiebei ist es besonders vorteilhaft, zwischen dem Hauptfeuerraum und dem Rauchgasabzug kurz vor den Befestigungsenden der Gegenstromrohre eine feuerfeste Trennwand mit derartigen Öffnungen anzuord- nen, dass zwischen jedem Gegenstromrohr und der Trennwand ein Ringspalt für den Durchtritt der Rauch- gase zum Rauchgasabzug hin vorhanden ist. Die Heizgase sind dadurch gezwungen, ihren Weg konzen - trisch um jede einzelne Gegenstromrohreinheit - diese dabei von allen Seiten gleichmässig umspülend - zu nehmen, wodurch die Intensität der Wärmeübertragung weiter verbessert wird.
Weiterhin kann man die Gegenstromrohre etwa gleichmässig über den gesamten Ofenquerschnitt ver- teilen und vor den freien Enden der Gegenstromrohre einen von etwa tangential einmündenden Brennern zyklonartig beheizten freien Flammenraum vorsehen. In Verbindung mit dem durch die Anordnung der Trennwand in der Nähe der Befestigungsenden der Gegenstromrohre erzielten konzentrischen Rauchgas- abzug um jedes einzelne Gegenstromrohr bewirkt die Vorschaltung eines derartigen Feuerraumes vor den freien Enden der Gegenstromrohre eine ausserordentlich gleichmässige Beheizung jedes einzelnen Gegen- stromrohres,
da sich durch die zyklonartige Beheizung des vorgeschalteten Feuerraumes in diesem schon eine sehr gleichmässige Flammenzone einstellt und die Rohre daher von den freien Enden der Rohre an bis zu deren Befestigungsenden sämtlich sehr gleichmässig allseitig von den Heizgasen umspült werden.
Dadurch, dass die Rohre gleichmässig über den gesamten Ofenquerschnitt verteilt werden können, ergibt sich ausserdem bei gleichen Ofenvolumen eine ganz wesentliche Steigerung der Durchsatzleistung des Ofens.
Die zuletzt geschilderten Merkmale der Heizgasführung können naturgemäss grundsätzlich auch bei Öfen mit hängenden Gegenstromrohren der schon bekannten Bauart Verwendung finden, jedoch sind diese in Verbindung mit Öfen mit stehenden Rohren gemäss der Erfindung besonders vorteilhaft, weil hiebei der Feuerraum oberhalb der freien Enden der Gegenstromrohre angeordnet sein kann und hiebei ein Bespritzen der Rohrwandungen mit Brennstofftröpfchen weitestgehend vermieden wird, was bei einer Befeuerung von unten wesentlich leichter auftritt und ausserordentlich unangenehme Korrosionserscheinungen an den Rohren hervorruft.
Ausserdem werden bei einer Befeuerung von oben nach unten etwa sich bildende Ascheteilchen des Brennstoffes wesentlich besser mit den Rauchgasen ausgetragen als bei einem von unten nach oben gerichteten Heizgasstrom.
Die bei von oben erfolgender Beheizung Brennstoffspritzern und Ascheablagerungen besonders ausgesetzten Stirnflächen der erfindungsgemäss verwendeten stehenden Rohre können hiergegen durch Aufsetzen von vorzugsweise leicht auswechselbaren Kappen geschützt werden, die ausserdem gleichzeitig auch noch eine die Heizgase lenkende Formgebung erhalten können. Indem man entsprechend geeignete feuerfeste Materialien für diese Schutzkörper verwendet, können diese gleichzeitig an den der Wärmestrahlung am stärksten ausgesetzten oberen Enden der Rohre auch noch wärmedämmende Funktionen erfüllen.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in Fig. 1 eine besonders einfache Ausführungsform eines Röhrenofens gemäss der Erfindung mit nur einem stehend angeordneten Gegenstromrohr im Schnitt, Fig. 2 einen Ofen mit gleichmässig über den ganzen Ofenquerschnitt verteilten Gegenstromrohren gemäss der Erfindung, und in Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 2.
Bei dem Röhrenofen gemäss Fig. 1 sind die Wände 1, der Boden 2 und die Ofendecke 3 in üblicher Weise aus feuerfestem Material hergestellt. In eine zentrische Öffnung des Bodens 2 ist von unten her eine Gegenstromrohreinheit 4 eingesetzt und in geeigneter Weise leicht lösbar befestigt. Die Beheizung des
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Ofens erfolgt durch einen zentrisch in der Decke 3 angeordneten Brenner 5 und die Rauchgase werden durch einen Abzugsstutzen 6 abgezogen.
Zwischen dem eigentlichen Feuerraum und dem Rauchgasabzug 6 ist kurz vor dem Befestigungsende der Gegenstromroheinheit 4 eine feuerfeste Trennwand 7 angeordnet, welche eine derartige Öffnung aufi weist, dass zwischen der Trennwand und der Gegenstromrohreinheit 4 ein Ringspalt 8 gebildet ist. Ausser- halb des Ofenraumes befinden sich die Anschlussflansche 9 und 10 der Gegenstromrohreinheit 4. In Ab- hängigkeit von dem jeweiligen Verfahren kann hiebei das der Gegenstromrohreinheit 4 zugeführte Reak- tionsmedium über das Innenrohr zugeführt und über das Aussenrohr abgeführt bzw. umgekehrt über das
Aussenrohr zugeführt und über das Innenrohr abgeführt werden. In der Gegenstromrohreinheit 4 kann so- wohl im Innenrohr als auch in dem Ringraum zwischen diesem und dem Aussenrohr eine Katalysatorfül- lung vorgesehen sein.
Beispielsweise ist bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 eine solche Füllung 13 nur in dem Ringraum zwischen dem inneren und äusseren Rohr wiedergegeben.
Auf das obere Ende der Gegenstromrohreinheit ist eine Schutzkappe 11 aus feuerfestem Material auf- gesetzt, u. zw. mit einer Bohrung über einen mit dem Rohr fest verbundenen entsprechenden Stift 12 ge- stülpt. Diese Schutzkappe schützt die Rohreinheit 4 sowohl vor zu starker Wärmestrahlung als auch vor einer Besprühung mit Brennstofftröpfchen bzw. gegen Ascheablagerungen.
Die Ofenkonstruktion gemäss den Fig. 2 und 3 entspricht im wesentlichen derjenigen gemäss Fig. 1, nur sind hier eine Vielzahl von Gegenstromrohreinheiten 4 etwa gleichmässig über die ganze Querschnitts- fläche des Ofens verteilt angeordnet und ist oberhalb der freien Enden dieser Gegenstromrohreinheiten ein durch seitlich tangential einmündende Brenner 5 zyklonartig beheizter Feuerraum 14 vorgesehen. Die kurz vor den unteren Enden der Gegenstromrohre zwischen dem eigentlichen Feuerraum und den beiden Rauch- gasabzugsstutzen 6 angeordnete Trennwand 7 ist genau wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 derartig mit Öffnungen versehen, dass zwischen jeder einzelnen Gegenstromrohreinheit und dieser Trennwand ein
Ringspalt 8 für den Abzug der Rauch- bzw. Heizgase vorhanden ist.
Durch die zyklonartige Beheizung des oberen Feuerraumes 14 ist dieser sehr gleichförmig befeuert und die Heizgase umströmen die einzelnen
Gegenstromeinheiten über deren gesamte Länge ausserordentlich gleichförmig.
Bei relativ schlanken Gegenstromrohreinheiten kann es zweckmässig sein, in der Nähe der oberen
Enden derselben einen Querrost anzuordnen, der der Form und der Anordnung der Gegenstromrohre ange-
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sind, um einem seitlichen Neigen der Rohre vorzubeugen.
Wie insbesondere die Fig. 2 erkennen lässt, ist die Ofendecke 3 völlig frei von irgendwelchen Durch- führungen, so dass diese in besonders einfacher Weise dicht ausgebildet werden kann und damit bei Undichtigkeiten auftretende sehr unerwünschte Kaminwirkungen weitestgehend vermieden werden können.
Man könnte allerdings in der Mitte der Ofendecke einen Explosionsschutzdeckel anordnen, der dann im Explosionsfall nach oben abgeschleudert würde, wodurch Gefährdungen des Bedienungspersonals ausgeschlossen wären. Bei den bisher bekannten Ofentypen war eine Anbringung eines Explosionsschutzdeckels an dieser Stelle, d. h. im Bereich der Ofendecke, wegen der dort angeordneten Rohre und Brenner nicht möglich.
Durch die-seitlich tangentiale Anordnung der Brenner sind diese selbst auch wesentlich besser zugänglich als bei einer senkrecht von oben durch die Ofendecke einmündenden Anordnung und können daher im Bedarfsfalle wesentlich einfacher repariert bzw. ausgetauscht werden. Auch die Anschlüsse der Gegenstromrohreinheiten sind wesentlich besser zugänglich als bei den bisher bekannten Öfen und liegen ausserdem unterhalb des Ofens gegen Witterungseinflüsse derart gut geschützt, dass sich die erfindungsgemässen Öfen besonders gut zur Aufstellung im Freien eignen. Infolge der geschlossenen Ofendecke kann diese auch in wesentlich einfacherer Weise genügend fest hergestellt werden und die Deckenkonstruktion kann insgesamt wesentlich schwächer dimensioniert werden, da sie keine zusätzlichen Elemente, wie Rohre oder Brenner zu tragen hat.
Natürlich sind die wesentlichen erfinderischen Prinzipien, d. h. die stehende Anordnung der einzelnen Gegenstromrohreinheiten auch bei andern Ofenformen als den gezeigten verwendbar, z. B. bei Kammeröfen mit kubischen oder ähnlichen Feuerräumen.
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