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Verfahren zur Ausnutzung der Wärmeenergie der aus elektrischen Stickstoffverbrennungsöfen kommenden Gase.
Bei der elektrischen Stickstoffverbrennung erzielt man bekanntlich nur eine unvollkommene Ausnutzung der zugeführten elektrischen Energie. Nur der kleinste Teil des Energieverbrauches wird unmittelbar in chemische Energie durch Bildung von Stickstoffoxyden umgewandelt, wogegen die Hauptmenge als Wärme in den hocherhitzten Gasmassen erhalten wird, die den Ofen verlassen. Dieses Verhältnis kann einigermassen verbessert werden durch Anwendung von Überdruck in den Öfen. Man bekommt dann eine etwas grössere Ausbeute an Stickstoffoxyden im Verhältnis zum Energieverbrauch des Ofens, aber der erzielte Vorteil wird wiederum zum grössten Teil dadurch vereitelt, dass man eine Verdichteranlage mit daraus folgendem Energieverbrauch anbringen muss, um den Öfen die Luft unter Druck zuführen zu können.
Eine höhere Ausbeute an Stickstoffoxyden lässt sich auch in der Weise erzielen, dass man eine mit Sauerstoff angereicherte Luft in den Öfen anwendet, am besten unter Zufuhr von soviel Sauerstoff, dass ein Gemisch aus gleichem Volumen Stickstoff und Sauerstoff entsteht. In diesem Falle muss man wegen der Kosten der Sauerstoffherstellung die Ofen und die Absorptionsanlage mit Hilfsvorrichtungen zu einem geschlossenen System verbinden, in dem die Gase unter Vervoll-
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Verdichter, um die Druckdifferenzen im System und damit den Kreislauf der Gase aufrechtzuerhalten. Ebenso verhält es sich, falls man gleichzeitig beide Verfahren zur Erhöhung der Ofenausbeute anwendet, indem man mit sauerstoffreicher Luft unter Druck arbeitet.
Wenn man mit einem geschlossenen System arbeitet, hat man ferner die Möglichkeit, auch die Absorption unter erhöhtem Druck vornehmen zu können. Dies bietet dadurch einen wesentlichen Vorteil, dass das Absorptionssystem sehr viel kleiner bemessen werden kann und sich also wesentlich billiger stellt. Dieser Vorteil kann noch weiter ausgenutzt werden, wenn man das Absorptionssystem unter höherem Druck als die Öfen stehen lässt ; dem gegenüber besteht aber dann wiederum die Notwendigkeit der Anwendung einer Verdichtereinrichtung zur Erzeugung dieses höheren Druckes, so dass die Vorteile auch hier gegen Energieverbrauch erkauft werden müssen.
Betrachtet man andrerseits die Ausnutzung der Energie, die in Form von Wärme in den Gasen enthalten ist, wenn diese den Verbrennungsofen verlassen, so kann diese Ausnutzung in verschiedener Weise stattfinden, z. B. durch Herstellung von Dampf durch Leitung der Gase durch Dampfkessel. Ein grosser Teil der Wärme, besonders diejenige, die in den Gasen enthalten ist, nachdem diese auf 250 bis 3500 abgekühlt sind, lässt sich jedoch nicht in dieser Weise ausnutzen und geht bis jetzt so gut wie vollständig verloren, indem die Gase, um auf die für die Absorption wünschenswerte Temperatur zu kommen, mit strömenden Wasser stark gekühlt werden müssen.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun, diese bis jetzt wertlose Wärmeenergie zum Antrieb der Verdichtungseinrichtung auszunutzen, die zur Erhaltung der Druckdifferenzen im System nötig ist.
Zu diesem Zwecke lässt man die Wärmeenergie der Gase sich in einer Heissluftturbine in mechanische Arbeit umsetzen und benutzt die Turbine zum Betrieb des Verdichters. Wenn die Turbine adiabatisch und der Verdichter möglichst isotherm arbeitet, wird man bei den für
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die betreffenden Maschinengattungen normalen Wirkungsgraden und je nach der Gastemperatur zwei Drittel oder mehr der nötigen Verdichtungsarbeit sparen können, so dass nur das verbleibende Drittel oder weniger durch von aussen zugeführte Kraft. z. B. durch einen Elektromotor, zu leisten ist.
Um einen möglichst konstanten Druck im Ofen zu erzielen, was für die Beständigkeit des Lichtbogens von grosser Bedeutung ist, ist es von Wichtigkeit, dass der Verdichter die Geschwindigkeitsänderungen der'Turbine genau mitmacht, was man z. B. durch Anwendung eines Kreiselverdichters, der auf derselben Welle wie die Turbine angebracht ist, erzielt. Kleine Schwankungen des Druckes werden übrigens dadurch ausgeglichen, dass die Absorptionsapparate ein verhältnismässig grosses Volumen haben.
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c eine Heissluftturbine. d den auf der Turbinenwelle angebrachten Kreisefverdichter. e das Ahsorptionssystem.
Fig. i veranschaulicht den Fall, dass das System geschlossen und der Ofen unter höherem Druck als das Absorptionssystem steht. Vom Ofen gehen die Gase durch die Dampfkessel zur Heissluftturbine. wo die Wärme der Gase unter Expansion ausgenutzt wird. und weiter zum Absorptionssystem.
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auf den konstanten Druck gebracht, den die Gase im Ofen haben sollen.
Fig. 2 zeigt die Anordnung des Systems, wenn der Ofen unter Druck arbeitet, aber das
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dichter saugt ständig neue Luft ein und verdichtet dieselbe auf den Ofendruck.
Fig. 3 zeigt wiederum ein geschlossenes System, aber zum Unterschied von Fig. i ein solches, wo die Absorptionsapparate unter höherem Druck als der Ofen stehen. Hier durchstreichen daher die Gase von den Öfen und Dampfkesseln erst eine Wärmeaustauschvorrichtung/, wo sie abgekühlt werden, und darauf den Verdichter, der die Gase auf den für die Absorptionsapparate angemessenen Druck bringt. Die kalten Gase vom Absorptionssystem werden durch den Wärmeaustauschapparat f geleitet, wo sie durch die von b kommenden Gase erwärmt werden ; sie gehen dann zur Turbine, in der sich die Gase auf den im Ofen herrschenden Druck ausdehnen.
Die im vorstehenden beschriebenen Anordnungen sollen in erster Linie bei der Stickstoffverbrennung im elektrischen Ofen Anwendung finden.
Die Erfindung kann jedoch unter anderem auch bei der Herstellung von Aluminiumnitrid aus Tonerde. Kohle und Stickstoff benutzt werden. Wenn man bei der Herstellung von Aluminiumnitrid und ähnlichen Prozessen mit Stickstoff im Kreislauf arbeitet, wird man eine Vorrichtung einschalten müssen, um das Kohlenoxyd aus den Ofengasen zu beseitigen, bevor diese wieder benutzt werden und man erhält dann ein System, das bezüglich der einzelnen Teile grundsätzlich mit den in Fig. i angedeuteten übereinstimmt.
PATENT-ANSPRÜCHE:
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energie im Druckgefälle mit Hilfe einer Heissluftturbine und eines Kreisefverdichters dazu ausgenutzt wird. dem unter dem höheren Druck stehenden System die zur Durchführung des Verfahrens nötigen Gasmengen zuzuführen.
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