Verfahren zum Vorwärmen der Verbrennungsluft eines Ofens und Ofen zur Durchführung des VerfaJ > rens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen der Brennluft eines Ofens mit einem Brenner, einer Brennkammer, einem Kovektionsschacht, durch welchen die Verbrennungsgase aus der Brennkammer in einen Schornstein abziehen, und mit einer sich durch den Konvektionsschacht und die Brennkammer mit schlangenförmigen Windungen erstreckenden, den Hauptstrom eines zu erhitzenden, flüssigen oder gasförmigen Mediums führenden Rohrleitung, sowie einen Ofen zur Durchführung des Verfahrens.
Öfen sind einer der wichtigsten Bestandteile der Ausrüstung in der Raffinierungs-Industrie und besonders in den chemischen- und Erdöl-Raffinerieanlagen.
Solche Öfen enthalten normalerweise Auskleidungen in den Brenakammern, die mit einem oder mehreren Brennern ausgerüstet sind, welche Brennstoff unter Zufuhr von Brennluft darin verfeuern, Der Hitzestrah lung- ausgesetzte schlangenförmige Leitungssysteme sind in den Brennkammern angeordnet, die Wärme im wesentlichen in Form von Strahlungswärme aufnehmen. Die Verbrennungsgase werden durch Konvektionsbereiche geleitet, welche gewöhnlich auch mit Auskleidungen versehen und in denen ebenfalls schlangenartige Leitungssysteme vorhanden sind, um Wärme von den Verbrennungsgasen im wesentlichen mittels konvektiver Wärmeübertragung aufzunehmen. Von dem Konvektionsbereich werden die Verbrennungsgase durch einen Schornstein abgeleitet.
Bei einem Ofen mit gegebener Brennstoffzufuhr hängt der Wirkungsgrad davon ab, wieviel von der von dem Brennstoff freigegebenen Wärme wiedergewonnen werden kann, anders ausgedrückt, der Wirkungsgrad ist umgekehrt proportional der Abgastemperatur. Eine Massnahme zur Verminderung der Schornsteintemperatur ist die Verwendung des Verbrennungsgases zum Vorheizen der Brennluft für die Brenner. Dieses Vorheizen kann durch bekannte Wärmetauscher erfolgen, wobei beispielsweise die Brennluft durch einen Röh renwWärmetauscher strömt, wobei die Verbrennungsgase dessen Aussenfläche (oder umgekehrt) bestreichen. Es ist auch bekannt, die Luft in regenerativen Wärmetauschern vorzuwärmen, wobei eine wärmespeichernde Masse abwechselnd mit dem Verbrennungsgas zur WiirmeanfnaErme und danach mit der Brennluft zur Wärmeabgabe in Berührung gebracht wird.
Das Vorwärmen der Verbrennluft ergibt hohe thermische Wirkungsgrade und zusätzlich den Vorteil einer Verminderung der Brennstoffkosten,- da die Brennluft nicht mehr von der Raumtemperatur über das gesamte Temperaturgefälle bis zur wirksamen Verbrennungstempe- ratur aufgewärmt zu werden braucht.
Bekanntlich muss in den meisten Fällen, dem Bestreben einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, minder stens die Investitionskosten-Kalkulation gegenüberge stellt werden, d. h., es muss ein Kompromiss zwischen den Investitions- und den Betriebskosten erreicht wer.
den. Es ist häufig möglich, die grösseren Investitionskosten durch Verminderung der Betriebskosten auszugleichen, jedoch muss sich gewöhnlich jede Ofenanlage kostenmässig selbst tragen. Zum- Beispiel ist es bei Kesselanlagen üblich, regenerative Luftvorwärmer zu verwenden, da deren Kosten meistens immer kompensiert werden können. Für die meisten Erdölraffinierie öfen in wirtschaftlich ausgewogen arbeitendem Betrieb ist es nicht üblich, regenerative oder indirekte Luftvorwärmer anzuwenden. In dem Masse wie kleinere Öfen oder Anlagen zur Unrentabilität neigen, (wie beispielsweise Anlagen zur katalytischen Kohlenwasserstoff Pyrolyse oder dgl.) werden die Luftvorwärmer an und für sich noch weniger in Betracht kommen.
Ein Grund für die geringere Einsatzmöglichkeit von Luftvorwärmern bei kleineren Öfen ist, dass die Kosten von Luftvorwärmern nicht in dem Masse mit abnehmender Grösse sinken, wie die Kosten der Öfen.
Die Röhren- und Verkleidungsherstellung weist im allgemeinen ein viel grösseres Verhältnis von Arbeit zu Materialkosten auf als die Ofenherstellung. Dasselbe gilt für regenerative Luftvorwänner und sogar in erhöhtem Masse, weil zu regenerativen Luftvorwärmern auch Motoren, bewegliche Teile und Dichtungen gehören. Ein anderer Grund für die Rückkehr zu konventionellen Luftvorwärmungssystemen lag in der Schwierigkeit, mit Hilfe von Gebläsen beträchtliche Mengen von Gasen durch grosse Leitungen zu bewegen.
An dieser Stelle sollte auch erwähnt werden, dass selbst da, wo Luftvorwärmung normalerweise vertretbar ist, sie doch kostenmässig mit anderen Forderungen, die an eine Anlage gestellt werden, konkurrieren muss. Häufig kann durch andere Einrichtungen eine schnellere Amortisierung der investierten Kosten erreicht werden, als es bei der herkömmlichen Luftvorwärmung der Fall ist.
Selbst wo herkömmliche Luftvorwärmung den wirtschaftlichen Erfordernissen entspricht, kann doch ihre Anwendung aus Gründen der Betriebssicherheit abzulehnen sein. Indirekte Wärmeaustauscher sind korrosionsanfällig gegen die säurehaltigen Verbrennungsgase. Regenerative Luftvorwärmsysteme enthalten Gebläse, Antriebe, Dichtungen und verschiedenartige andere Ausrüstungen. Ein Versagen eines der verschiedenen ausserhalb des eigentlichen Verfahrens-Ablaufes liegenden Elemente kann ein solches System ausser Betrieb setzen. Deswegen sträubt man sich häufig dagegen, auf diese Weise Betriebsstörungen in solchen Anlagen zu riskieren. Im Gegensatz dazu stehen bei Kesselanlagen, für den Fall, dass eine Baugruppe versagt, fertige Alternativlösungen zur Verfügung.
Wo gewöhnliche Luftvorwärmer in Ofenanlagen nicht anwendbar sind, fehlt demnach sowohl die Möglichkeit, einen höheren, thermischen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen, als auch die Möglichkeit, Brennstoff zu sparen. Dies stellt die Ofenkonstrukteure vor schwerwiegende Probleme und erschwert die Konstruktion solcher Anlagen. Ohne Luftvorwärmung muss die Brennluft von der normalen Raum- oder Umgebungstemperatur auf die Brenn-Temperatur in der Brennkammer erwärmt werden, wodurch mehr Brennstoff verbraucht wird. Zudem ist der Grad der Rückgewinnung eines Teiles der Verbrennungswärme im Konvektionsbereich auf die Temperatur des zufliessenden und zu erhitzenden Flüssigkeitsstromes beschränkt.
Die Temperatur der Verbrennungsgase muss offensichtlich oberhalb der Temperatur des zufliessenden Flüssigkeitsstromes liegen, um an diesen eine angemessene Wärmeübertragung zu erzielen. Diese Differenz zwischen der Temperatur des zufliessenden Flüssigkeitsstromes und der Temperatur der austretenden Verbrennungsgase beträgt selten weniger als 55" C und praktisch niemals weniger als 27 C bei normalen Bedingungen.
Wenn ein üblicher Luftvorwärmer nicht einzusetzen war, wurden Leitungsschleifen angewendet, die eine Wärmeübertragungsflüssigkeit in kontaktlosem Wärmeaustausch zuerst mit dem Verbrennungsgas zur Wärmeaufnahme und dann zu der Brennluft zur Wärmeabgabe umlaufen lassen.
Die verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeiten enthalten eutektische Mischungen von Kalium- und Natriumsalzen, eutektische Mischungen von Diphenyl und Diphenyloxyd, o-Dichlorbenzol, aromatische Wärmeübertragungsöle, Tetrachlordiphenylverbindungen und dgl. Der diesem System innewohnende Nachteil war, dass die Ringleitungen geschlossen waren. Jegliche Störung des bestimmten augeglichenen Verhältnisses zwischen der Wärmeaufnahme von den Verbrennungsgasen und der Wärmeabgabe an die Verbrennungsluft wirkte sich dabei in erhöhtem Masse nachteilig aus. Wenn die Wärmeaufnahme von der Verbrennungsgasen mit zu geringen Werten vor sich ging, so verringerte sich die Vorwärmung der Verbrennungsluft derart progressiv, dass Brennstoffeinsparungen nicht möglich waren.
Wenn der Wert der Wärmeaufnahme von den Verbrennungsgasen zu hoch war, stieg die Temperatur der Wärmeübertragungsflüssigkeit progressiv auf ein Ausmass, dass die Wärmeaufnahme von den Verbrennungsgasen unangemessen war und folglich der Wirkungsgrad schlechter wurde. Andere mit diesen Ringleitungen verbundene Probleme umfassten das Ergreifen von Massnahmen zum Ausgleich der Ausdehnung der Wärmeübertragungsflüssigkeit mittels Ausdehnungsgefässe oder dgl. Auch wenn eine Störung der Anlage eintrat ( wie beispielsweise das Versagen einer Pumpe), musste die gesamte Ringleitung sofort entleert werden, wodurch Aufbewahrungsmöglichkeiten für die Wärmeübertragungsflüssigkeit notwendig wurden.
Meistens haben die den Öfen zufliessenden Flüs- sigkeitsströme Temperaturen, die wesentlich über der Umgebungstemperatur liegen. Demgemäss besteht eine andere, durch die vorliegende Erfindung angestrebte Lösung darin, zuerst Wärme von dem zufliessenden Flüssigkeitsstrom auf die Brennluft zu übertragen, um durch Vorwärmen der Brennluft Brennstoffeinsparungen zu erzielen und die Temperatur des Flüssigkeitsstromes derart zu vermindern, dass dieser danach in der Lage ist, mehr Wärme von dem Verbrennungsgas aufzunehmen und dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Natürlich war diese Massnahme erfolgversprechend, jedoch wurde festgestellt, dass die vom Flüssigkeitsstrom an die Brennluft abgegebene Wärmemenge die Temperatur des Flüssigkeitsstromes nicht ausreichend vermindert, um eine vollständige Wiedergewinnung der an die Brennluft abgegebene Wärme aus den Verbrennungsgasen im Konvektionsbereich zu erzielen.
Das Ergebnis war, dass für denselben Wirkungsgrad wie in einer herkömmlichen Anlage mehr Brennstoff statt weniger Brennstoff verbraucht wurde.
Erfindungsgemäss wird nun dieses Problem dadurch gelöst, dass ausser dem Hauptstrom ein Nebenstrom gebildet wird, dessen Temperatur höher ist als die Umgebungs- oder Raumtemperatur, dass der Hauptstrom durch die Windungen der Rohrleitung fliesst zur Wärmeaufnahme von den Verbrennungsgasen und dass der Nebenstrom zur Erwärmung der Brennluft durch deren Einströmbereich im Ofen geleitet wird. Der Brennluftstrom und der Nebenstrom sind entsprechend den jeweiligen Anforderungen der Temperaturveränderung und der spezifischen Wärmewerte aufeinander abgestimmt. Die Temperatur des Nebenstromes wird ungefähr um denselben Betrag vermindert, um den die Verbrennungsluft vorgewärmt wird.
Dabei wird die Temperatur des Nebenstroms auf ein solches Niveau vermindert, dass er genügend Wärme von den Verbrennungsgasen wiedergewinnen kann, um sein anfängliches Temperaturniveau wieder herzustellen. Im wesentlichen wird die gesamte der an die Brennluft abgegebenen Wärme von den Verbrennungsgasen wiedergewonnen und die Temperatur des Verbrennungsgases in optimaler Weise gesenkt, so dass ein guter thermischer Wirkungsgrad des Ofens erzielt wird.
Der Ofen zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass er eine Brennluftvorwärmkammer besitzt, in welcher Rohrlei tungswindungen angeordnet sind, die vom Neben strom durchflossen sind.
Grundsätzlich kann auf diese Weise die Luftvorwärmung mit viel niedrigeren Kosten, als bei bisher bekannten Anlagen dieser Art erzielt werden. Dieses System ist Teil der Ofenanlage, so dass die Herstellungskosten niedrig sind. Ferner geht keine Brennluft verloren, wie es bei regenerativen Luftvorwärmern der Fall ist. Die Betriebssicherheit ist hier sichergestellt, da dieses System bei weniger kritischen Temperaturen und unter weniger schwierigen Bedingungen arbeitet als der Hauptstrom sie hat und auch, weil sie ausser von Ventilen und Pumpen von keiner weiteren mechanischen Ausrüstung abhängt. Dieses Luftvorwärmsystem kann so lange arbeiten, wie der Ofen in Betrieb ist. Darüber hinaus liegt der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung in der wesentlich höheren Gesamtwirtschaftlichkeit der Anlage.
Es sollte auch vermerkt werden, dass durch Veränderung der Fliessmenge des Nebenstromes, der zur Vorwärmschlange der Verbrennungsluft geht, die Menge der vorgewärmten Luft und die Temperatur, auf welche der Nebenstrom abgekühlt wird, praktisch nach Wunsch gesteuert werden kann. Man ist in der Lage, einen optimalen Wirkungsgrad bei jeglicher Ofengrösse zu erzielen, besonders wo Wärmenutzleistung, Brennstoff oder andere Konstruktionsparameter nicht seinen ursprünglichen Erwartungen entsprechen.
Das Bedienungspersonal der Anlage ist in der Lage, die Anlage auf die günstigsten Betriebswerte einzustellen. Auch wenn Änderungen der Anlage vorgenommen werden, kommt der durch die vorliegende Erfindung erzielte Vorteil voll zum Tragen.
Anschliessend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. In der Zeichnung sind in Kreisen Temperaturrichtwerte in Grad Celsius und in Rechtecken Strömungsmengen in Kilogramm pro Stunde angegeben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines nach dem herkömmlichen Verfahren arbeitenden Ofens;
Fig. 2 veranschaulicht einen Ofen, bei welchem der gesamte Flüssigkeitsstrom zur Luftvorwärmung nach dem herkömmlichen Verfahren verwendet wird. Vergleichende Wertangaben sind in Fig. 1 und 2 hinsichtlich thermischer Wirksamkeit, Wärmeab-Aufnahme und Wärmeübergang dargestellt;
Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt durch einen typischen Ofen, in welchem das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemässen Ofen mit einem Nebenstrom zur Luftvorwärmung, der mittels einer Pumpe unter Druck gesetzt ist;
Fig. 5 stellt eine andere Variation eines Ofens gemäss der Erfindung dar, wobei die Hauptstromleitung und die Nebenstromleitung mit Ventilen versehen sind;
;
Fig. 6 stellt eine andere Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung dar, wobei sich der Nebenstrom wieder mit dem Hauptstrom vereinigt, nachdem beide Ströme den Ofen verlassen haben;
Fig. 7 A und 7 B zeigen einen Ofen, in dem mehr als eine Beschickung erwärmt werden kann und wo nur eine der Beschickungen der Strahlungsheizung ausgesetzt ist. In Fig. 7 A wird nach der herkömmlichen Bauweise keine Luftvorwärmung verwendet.
In Fig. 7 B, welche aus Fig. 7 A abgeleitet ist, ist eine der Beschickungen vor ihrem Eintritt in die Konvektionsschlange zur Luftvorwärmung verwendet;
Fig. 8 zeigt einen mit der Fig. 7 B vergleichbaren Ofen mit dem Unterschied, dass die Temperatur des Nebenstromes vor ihrer Verwendung zur Luftvorwärmung erhöht wird;
Fig. 9 stellt die Erfindung, angewendet auf einen Dampfvorwärmer, dar, und zeigt die Anwendung des Verfahrens zur Luftvorwärmung;
Fig. 10 bezieht sich auf Pyrolyse- oder Spaltöfen, worin die Ströme zur Luftvorwärmung verwendet werden können. Dies wird infolge der diesen Konstruktionen eigenen besonderen Wärmeübertragungs-Eigenschaften ermöglicht.
Die verschiedenen, am Ende dieser Beschreibung, angegebenen Beispiele sind auf diese Figuren bezogen und sollen die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausführungen veranschaulichen.
Die vorliegende Erfindung kann in einem weiten Variationsbereich von Öfen angewendet werden. In Fig. 3 ist ein typischer, vertikaler, zylindrischer Raffinierofen dargestellt. Obwohl hier eine vertikale, zylindrische Form gezeigt ist, ist ersichtlich, dass die Erfindung auch bei Kammer- und Muffelöfen stark unterschiedlicher Grössen und Anlagen in der Verarbeitungsindustrie angewendet werden kann.
Ein Einsatz 1 wird durch einen Stahlrahmen 2 gehalten und umschliesst einen Strahlungsbereich 3 sowie einen Konvektionsbereich 4. Als Konvektionsbereich 4 ist ein kastenähnlicher Aufbau vorgesehen, welcher auf dem Strahlungsbereich sitzt. Der Strahlungsbereich 3 wird von einer Seite oder von beiden Seiten beheizt.
Die Konvektionsschlange 7 ist gewöhnlich dort grossflächig ausgeführt, wo die Gastemperaturen ausrei- chend niedrig sind. Brenner 8 heizen Brennstoff mit Luft, um heisse Verbrennungsgase in den Strahlungsbereich 3 einzuführen, die über den Konvektionsbereich 4 austreten. Die heissen Verbrennungsgase sammeln sich in einem Stutzen 9 und ziehen durch einen Schornstein 11 ab.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird der Strom 12 einer Flüssigkeit durch die Konvektionsschlange 7 und dann durch die Strahlungsschlange 6 einer Erwärmung ausgesetzt. Wie bereits erwähnt, wird der Wirkungsgrad bei dieser Heizanordnung von der Temperatur des zufliessenden Stromes einschränkend bestimmt. Das Niveau der Temperatur der Verbrennungsgase, welches im Bereich 13 erreicht werden kann, bezieht sich direkt auf die Temperatur des zufliessenden Stromes 12. Dies ist deshalb der Fall, weil der zufliessende Strom 12 das Verbrennungsgas nur auf ihre eigene Temperatur abkühlen kann.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wurde versucht, die Brennluft durch den Strom 12 der zufliessenden Flüssigkeit vorzuwärmen. Zu diesem Zweck ist eine Luftvorwärmschlange 14 in einer Kammer 16 angebracht.
Dieser Weg war erfolglos, da festgestellt wurde, dass die zum Erwärmen der Brennluft von dem Flüssigkeitsstrom 12 entnommene Wärmemenge die Tempera tur dieser Flüstigkeit-ngchf-ausreicheilld.herabsétzteS, um ein angemessenes Temperaturgçfälle und eine ange messene-- Abkühlung des Verbrennungsgases bei 13 zu erhalten.
Dieser Anordnung- war nicht in der Lage, in dein Konvektionsbereich 4- die Wärmemenge annähernd zurückzugewinnenj die; an die Verbrennungsluft abgegeben wurde. Obwohl dabei die Brennluft vorgewärmt war, konnte die Konvektionsschlange 7 diese Wärmemenge nicht zurückgewìnnen, weil die-Temperatur des- FlüssigkeitsstromesYnicht ausreichend gesenkt worden ist Wie aus -dem- Vergleich der- in Fig.
1 und 2 angegebenen Werte zu ersehen ist, war das Ergebnis- des eben beschriebenen Weges, dass,, um ungefähr dieselbe Nutzleistung- mit Luftvorwärmung durch die zu fliessende- Hauptflüssigkeit zu - erhalten, mehr anstatt weniger Brennstoff erforderlich war.
Aus Fig. 4 ist nun ersichtlich, dass ein Nebenstrom 17 von dem Hauptstrom 12 abgezweigt wird. Der Nebenstrom-17 wird durch ein Venül 18 gesteuert und durch eine- Pumpe 19 in Fluss gehalten. Dieser Neben strom 17 fliesst zum kontaktfreien Wärmeaustausch mit der Brennluft 21 durch die Luftvorwärmschlange 14 -und-anschliessend durch eine Vorwärmschlange 22, um vor dem Wiedereintreten in den Hauptstrom 12 bei 23 Wärme von den Verbrennungsgasen aufzunehmen.
Der Hauptstrom 12 verläuft in der üblichen Weise durch den Ofen. Die gesamte Wärme, die in der- Luftvorwärmschlange 14 an die Verbrennungsluft abgegeben wird (und mehr), karm in der Konvektions-Vorwärmschlange 22 wiedergewonnen werden, und die Temperatur der Verbrennungsgase bei 13 kann entsprechend gesenkt werden,- so dass sich ein besserer Wirkungsgrad der Anlage ergibt.
Durch Verändern der Durchflussmenge des Nebenstromes 17 kann das Mass der Luftvorwärmung und die Kühlung des Nebenstromes 17 praktisch nach Wunsch gesteuert werden. Die Steuermöglichkeit ist sehr wichtig für die Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades des Ofens, besonders wenn der Ofen Schwankungen der Nutzleistung der Umgebungsbedingungen und anderer Einflüsse unterworfen ist.
Zur Durchführung des Verfahrens gibt esverschie- dene alternative Anordnungen, um die Durchfluss Stärke des Hauptstromes 12 und des Nebenstromes 17 zu steuern. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel wird der Fliessdruck des Nebenstromes 17 mittels der Pumpe 19 erhöht. Die Pumpe wird verwendet, um den hydraulischen Widerstand in der Luftvorwärmschlange 14 und der Konvektions-Vorwärmschlange 22 zu überwinden. Die Menge des Nebenstromes wird hauptsächlich gesteuert durch das Ventil 18 oder durch eine andere geeignete Vorrichtung Eine andere-Technik zur Durchfluss-Steuerung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Pumpe 19 der Ausführung gemäss Fig. 4 ist durch den Einsatz eines Ventiles in der Leitung des Hauptstromes 12 überflüssig.
Das Ventil 18 in dem Nebenstrom 17 ist auch bei dieser Ausführung zum Steuern des Nebenstromes notwendig.
Im Ausführungsbeispiel gemäss- Fig, 6 wird der vor dem Ofen abgezweigte Nebenstrom 17 erst hinter dem Ofen wieder dem Hauptstrom 12 in der Abflussleitung 26 zugeleitet. Bei dieser Ausführung wird das Temperaturniveau des Hauptstromes 12 in der Abflussleitung 26 durch den zufliessenden Neben strom nachträglich noch etwas erhöht. Der Vorteil dieser Ausführung ist eine Verminderung des Druckgefälles- im Hauptstrom, da der Druckabfall in dem Hauptstrom 12 gewöhnlich grösser.ist--als-der- in- deür'Nebenstrrs 17.
Im allgemei- nen wird in dieser Anordnung keine Pumpe-- benötigt, und für - die meisten Anlagen dieses Typs kann die Steuerung beispielsweise durch die Ventile 18 und 24 in dein- Hauptstrom 12 bzw. in dem Nebenstrom 17 bewerkstelligt werden.
Es sei darauf hingewiesen, - dass die Luftvorwärm- schlange -14--nicht in unmittelbarer Nähe des Brenners 8i angeordnet zu sein- braucht. Die Leitung kann je nach Zweckmässigkeit -auch eine andere Grundrissform haben.
Ausserdem können selbstverständlich für die Brennluftzufuhr auch Gebläse- verwendet werden und dadurch - gegebenenfalls Einsparungen bei der Bemessung-der Luftvorwärmschlange 14 erzielt werden.
Wie in Fig. 7 B dargestellt, ist es für- die vorliegende Erfindung -nicht- wesentlich, ob von dem Hauptstrom 12 und dem-- Nebenstrom 17 nur einer - oder beide Ströme der Strahlungswärme ausgesetzt sind. In der Ausführungsform von Fig. 7 B, welche von dem herkömmlichen Aufbau gemäss Fig. 7 A abgeleitet ist, wird der Nebenstrom 17 nur im Konvektionsbereich erwärmt. Es versteht sich auch, dass diese Art der Luftvorwärmung leicht an einen reinen Konvektionsofen angepasst werden könnte.
Wenn die Eingangstemperatur des Nebenstromes
17 zu niedrig ist für eine wirksame Luftvorwärmung, ist es möglich5 wie in Fig. 8 dargestellt wird, den Nebe-nstroin-- 17 in einer Konvektions-Vorwärmschlange 22 vorzuwärmen, um so eine wirksame Luftvorwärmung in der Schlange 14 zu erreichen und ihn dann für die weitere Funktion der Verminderung der Verbrennungsgastemperaturen bei 13 verfügbar zu haben, um den verbesserten Gesamtwirkungsgrad des Ofens zu erhalten. Speisewasserwärmung oder Dampf überhitzung sind typische Anwendungsbeispiele für die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform.
In vielen typisehen Anlagen sind diese Einrichtungen einer ursprünglichen Ofenkonstruktion hinzugefügt, um den Wirkungsgrad zu verbessern, jedoch ist häufig festgestellt worden, dass die von diesen separaten Einrichtungen erwarteten Nutzleistungen entweder zu sehr variieren oder unzureichend sind, um die gewünschte Verbesserung tatsächlich bewirken zu können. Der Unterschied zwischen der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform und einer Pump-Umlaufschlange mit einer Wärmeübertragungsflüssigkeit besteht darin, dass in Fig. 8 der Nebenstrom 17 ausgeführt wird, so dass mögliche Abweichungen von den normalen Betriebsbedingungen sich nicht verstärkt auswirken können.
Vielfach wird, wie beispielsweise in der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform, Dampferzeugung verwendet, um den Wirkungsgrad des Ofens zu erhöhen.
Die Menge des in solchen Anlagen verbrannten Brennstoffes ist jedoch eine Funktion der Strahlungsnutzleistung und des Strahlungswirkungsgrades. Dampferzeugung würde lediglich mehr Wärme entziehen, welche Brennstoffmenge auch immer verbrannt wird. Eine Brennluftvorwärmung jedoch, bei welcher den Verbrennungsgasen bei 22 zum Vorwärmen der Brennluft bei 14 Wärme entzogen wird, vermindert die nötige Brennstoffmenge erheblich. Häufig kann es vqrteilhaft sein, die Dampferzeugung zu begrenzen und den Brennstoffwirkungsgrad durch Verwendung von Luftvorwärmung zu erhöhen. In der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Nebenstrom 17 von Wasser mit Siedetemperatur verwendet, um-die Verbrennungsluft vorzuwärmen.
Eine weitere, wichtige Ausführungsform dieser Erfindung liegt in Öfen, bei denen die Durchsatzmenge des Hauptstromes relativ zu der Ofennutzleistung klein ist. Dies ist typischerweise der Fall in Öfen für eine Anzahl von wirtschaftlich wichtigen Endothermenumsetzungen, welche nur dann in nennenswerten Ausmassen stattfinden, wenn erhöhte Temperaturen erreicht werden. Beispielsweise die Dampfpyrolyse von dampfförmigen Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Olefinen wird normalerweise bei Temperaturen von 600 bis 870" C ausgeführt.
Katalytisches Spalten in der Anwesenheit von Wasserstoff zur Verbesserung des Oktanwertes findet normalerweise bei Temperaturen in der Nähe von 480" C statt. In dem Fall des katalytischen Dampfspaltens eines Kohlenwasserstoffes, um Wasserstoff und Kohlenmonoxyd zu erzeugen, werden Temperaturen über 5400 C benötigt. Die Strahlungskammern dieser Anlagen arbeiten bei einem so niedrigen Wirkungsgrad von etwa 40 o/o, dass die Erreichung vernünftiger Werte des Gesamtwirkungsgrades ein Hauptkonstruktionsproblem wird. Wenn dampfbetriebene Turbinen in diesen Anlagen verwendet werden, können grosse Dampferzeugerschlangen in den Konvektionsbereichen angebracht werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. In jedem Fall haben diese Anlagen im allgemeinen Platz in dem Konvektionsbereich übrig.
Für diese Fälle wird, wie in Fig. 10 dargestellt, der Hauptstrom, nachdem er in dem Konvektionsbereich vorgewärmt ist, dazu verwendet, die Verbrennungsluft bei 14 vorzuwärmen und der Hauptstrom wird dann in der Konvektionsschlange 7 vor dem Eintritt in die Strahlerschlange 6 wieder erwärmt. Diese Ausführungsform hat einen wichtigen Vorteil, besonders bei kleinen Dampf-Kohlenwasserstoffspaltenanlagen, oder auch an grossen Anlagen, wenn die Verwendung von dampfbetriebener Hilfsausrüstung nicht durchführbar ist.
Die folgenden Beispiele beziehen sich auf die das erfindungsgemässe Verfahren betreffenden Figuren der beiliegenden Zeichnung. In allen erfindungsgemässen Fällen, ausgenommen das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 10, herrschen die folgenden Betriebsbedingungen:
Betriebsbedingungen Hauptfertigungsfluss 45 400 kg/h Spezifische Wärme 1 Temperaturanstieg 111 C Nutzleistung der Hauptfertigung 2 520 000 kcal/h Verbrennungsluft 431 kg/kcal. 10 12, entspricht einer spez. Wärme von 0,5 Verbrennungsgas 454 kg/kcal. 1012, entspricht einer spez. Wärme von 0,55 Temperatur im Feuerraum 750" C Wirtschaftliche Temperaturannäherung: im Feuerraum 38 C, im Konvektionsbereich 930 C, spez.
Wärme des Nebenstroms 1
Beispiel der Figur 1 Wärmeabsorption des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 75 600 kcal/h Freigegebene Wärme 3 146 000 kcal/h Brennstoffwirkungsgrad 80,0 O/o Konvektionsabsorption des Hauptstromes 630 000 kcal/h Strahlungsabsorption des Hauptstromes 1 890 000 kcal/h
Beispiel der Figur 2 Wärmeabsorption des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 75 600 kcal/h Freigesetzte Wärme 3 280 000 kcal/h Brennstoffwirkungsgrad 77,0 O/o Vorwärmeabgabe an die Brennluft 252 000 kcal/h Wärmeaufnahme im Konvektionsbereich 642 600 kcal/h Wärmeaufnahme im Strahlungsbereich 1 873 600 kcal/h
Beispiele gemäss Fig.
4, 5, 6 Qärmeaufnahme des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 756 000 kcal/h Freigesetzte Wärme 2 972 000 kcallh Brennstoffwirkungsgrad 84,7 O/o Wärmeaufnahme der Brennluft 239 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Verfahrensstromes im Konvektionsbereich 239 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Nebenstromes im Konvektionsbereich 569 500 kcal/h Wärmeaufnahme im Strahlungsbereich 1 946 100 kcal/h
Beispiel gemäss Fig.
7 A Wärmeaufnahme des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Nebenstromes 25 200 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 75 600 kcal/h Freigesetzte Wärme 3 146 000 kcal/h Brennstoffwirkungsgrad 80,8 O/o Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Konvektionsbereich 630 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Strahlungsbereich 1 890 000 kcal/h Wärme aufnahme des Nebenstromes im Konvektionsbereich 25 200 kcal/h
Beispiel gemäss Fig.
7 B Wärmeaufnahme des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Nebenstromes 25 200 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 75 600 kcal/h Freigesetzte Wärme 3 025 040 kcal/h Ofenwirkungsgrad 83,9 O/o Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Konvektionsbereich 6 050 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Strahlungsbereich 1 911 000 kcal/h Wärmeaufnahme der Brennluft 101 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Nebenstromes im Konvektionsbereich 126 000 kcal/h
Beispiel gemäss Fig.
8 Wärmeaufnahme des Hauptstromes 2 520 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Nebenstromes 101000 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 756 000 kcal/h Freigesetzte Wärme 3 025 040 kcal/h Brennstoffwirkungsgrad 86,4 O/o Wärmeaufnahme der ersten Konvektionsschlange des Nebenstromes 101 000 kcal/h Wärmeaufnahme der Brennluft 101 000 kcal/h Wärmeaufnahme der zweiten Konvektionsschlange des Nebenstromes 101 000 kcal/h Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Konvektionsbereich 605 000 kcal/h Wärme aufnahme des Hauptstromes im Strahlungsbereich 1 911 000 kcal/h
Beispiel gemäss Fig 9 Wärmeaufnahme des Hauptstromes 2520000 kcal/h Wärmeaufnahme der Dampfschlange 448 200 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 83 160 kcal/h Freigesetzte Wärme 3 716 100 kcal/h Brennstoffwirkungsgrad 80,0 <RTI
ID=6.4> /o Wärmeaufnahme der Brennluft 299 900 kcal/h Wärmeaufnahme zur Dampferzeugung im Konvektionsbereich 148 600 keallh Wärmeaufnahme des Hauptstromes im Strahlungsbereich 2 520 000 kcal/h
Beispiel 10 Wärmeaufnahme des-Hauptstromes 13 100 000 kcal/h Wärmeverlust des Ofens 504 000 kcal'/h Freigesetzte Wärme 10 600000- kcaVh Brennstoffwirkungsgrad 74,3 O/o Erste Wärmeaufnahme des Vorwärmstromes 3 530 000 kcal/h Wärmeaufnahme der Brennluft 2 520 000 kcal/h Zweite Wärmeaufnahme des Vorwärmstromes 3 020 000 kcal/h Wärmeaufnahme im Strahlungsbereich 10 100 000 kcal/h Durchschnittliche spezifische Wärme des Hauptstromes im Konvektionsbereich 1.
Diese Beispiele sollen die verschiedenen Anwendungen der hier beschriebenen vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Bei verschiedenen Bedingungen und/ oder gewählten Konstruktionen können viel grössere Wirkungsgrade sowohl für die Öfen selbst, als auch für die Gesamtleistung der Anlage erreicht werden. Die vorhergehenden Beispiele sind in keiner Weise als begrenzend anzusehen.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zum Vorwärmen der Brennluft eines Ofens mit einem Brenner, einer Brennkammer, einem Konvektionsschacht, durch welchen die Verbrennungsgase aus der Brennkammer. in einen Schornstein abziehen, und mit einer sich durch den Konvektionsschacht und die Brennkammer mit schlangenförmigen Windungen erstreckenden, den Hauptstrom eines zu erhitzenden;
flüssigen oder gasförmigen Mediums führenden Rohrleitung, dadurch gekennzeichnet, dass ausser dem Hauptstrom (12) ein Nebenstrom - (17) gebildet wird, dessen Temperatur höher ist als die Umgebungs- oder Raumtemperatur, dass der Hauptstrom durch die Windungen (6, 7) der Rohrleitung fliesst zur Wärmeauf- nahme von den Verbrennungsgasen und dass-der Nebenstrom (17) zur Erwärmung der Brennluft (21) durch deren Einströmbereich (16) im Ofen geleitet wird.
PATENTANSPRUCH II
Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass er- eine Brennluftvorwärmkammer (16) besitzt, in welcher Rohrleitungswindungen (14) angeordnet sind, die vom Nebenstrom (17) durchflossen sind.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrom (17) von dem Hanptstrom- (12) vor dessen- Eintritt in- den- Of en (2) abgezweigt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrom (17) nach seiner Wärmeabgabe an die Brennluft (21) wieder mit dem Ilauptstrom vereinigt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenstrom (17) nach seiner Wärmeabgabe an die Brennluft (21) zur Wiederaufnahme von Wärme von den Verbrennungsgasen durch den Konvektionsschacht (4) geleitet wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinigung des Nebenstromes (17) mit dem Hauptstrom-- (12) vor dem Eintritt des letzteren in den Ofen (2) erfolgt, (Fig. 4 und 5).
5. Verfahren nach Patentanspruch I und den Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinigung des Nebenstromes (17) mit dem Hauptstrom. (12) nach dem Austritt des Hauptstromes (12) aus dem Ofen (2) erfolgt, (Fig. 6).
6. Verfahren nach Patentanspruch I und den Un teranspçiichen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und die Strömungsgeschwindigkeit des Nebenstromes (17) von einer Pumpe (19) und/oder einem Steuerventil (18) beeinflussbar sind.
7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zum- Vorwärmen der Brennluft ein Nebenstrom aus Wasser mit tÇb-er-Siedetemperatur verwendet wird, der nach der Wärmeabgabe an die Brennluft im Konvektionsschacht (4) mindestens teilweise verdampft und einem Dampfabscheider zugeführt wird, aus welchem der Dampf zu anderen Zwekken entnommen wird.
8; Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrom zunächst als Nebenstrom in dem Konvektionsschacht (4) erhitzt, dann zur Erwärmung der Brennluft benutzt und anschliessend wieder zu seiner Erhitzung durch Konvektionsschachtwindungen (7) und Brennkammerwindungen (6) der Rohrleitungen (12) geleitet wird.
9. Ofen nach PÅatentanspruch II zur Durchführung des Verfahrens nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Nebenstrom eine in Strömungsrichtung vor dem Ofen von der Hauptstrom Rohrleitung abzweigende Nebenstrom-Rohrleitung vorgesehen ist, die in der Bremduftvorwärmkammer (16) und in dem Konvektionsschacht (4) Rohrleitungswindungen (14 bzw. 22) besitzt.
10. Ofen nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die - Rohrleitungswindungen (22) der Nebenstrom-Rohrleitung im Konvektionsschacht (4 > , bezogen auf den Verbrennungsgas-Strom, stromab- - wärts der Rohrieitungswindungen (7) der Hauptstrom Rohrleitung angeordnet sind.
11. Ofen nach den Unteransprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenstrom-Rohrleitung, die von der - Hauptstrom-Rohrleitung vor dem
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