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Die Erfindung betrifft einen Abhitze-Dampferzeuger fur die Kühlung von heißen Abgasen aus metallurgischen Prozessen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abhitze-Dampferzeugers.
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Die Hauptaufgabe eines Abhitze-Dampferzeugers bzw. Abhitzekessels, der in der Metallurgie eingesetzt wird, ist, die Abgase beispielsweise eines Schmelz- oder Konverterofens zu kühlen und durch die übertragene Wärme Dampf zu produzieren.
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Bei einigen metallurgischen Prozessen ist es darüber hinaus aus prozesstechnischen Gründen erforderlich, die Prozess- bzw. Abgase unter eine bestimmte Temperatur zu kühlen, um eine weitere prozesstechnische Verarbeitung der Abgase zu ermöglichen. Beispiele für solche Prozesse sind z. B. Pyrit- und Zinkblenden-Röstung, Schwefelverbrennung oder Säurespaltung.
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Derartige Abhitze-Dampferzeuger bzw. Abhitzekessel bestehen in der Regel aus einem Strahlungs- und einem Konvektionsteil. Im Strahlungsteil des Abhitze-Dampferzeugers finden im großen Umfang Nachreaktionen, wie Oxidation von Schwefel und Metallen statt. Der, für solche Reaktionen erforderliche, Sauerstoff wird in Form von sauerstoffhaltigem Gas, in der Regel Luft oder sauerstoffangereicherter Luft, zum größten Teil mit zusätzlichen Düsen in den Strahlungsteil bzw. Strahlungsraum eingeblasen (ein wesentlich kleinerer Teil der Luft strömt durch Lecköffnungen in den Abhitze-Dampferzeuger ein, da im Abhitze-Dampferzeuger Unterdruck herrscht). Die Düsen dienen dabei nicht nur der Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas, sondern sorgen auch für die Erhöhung der Strömungsturbulenz innerhalb der Strahlungskammer und verbessern somit die Durchmischung der Abgase aus dem metallurgischen Prozessofen mit dem sauerstoffhaltigen Gas, um die erforderliche chemische Reaktion zu beschleunigen. Bei großen Abhitze-Dampferzeugern mit Strahlungskammerabmessungen von beispielsweise 4 m Breite, 6 m Höhe und 10 m Länge muss in der Regel eine größere Anzahl von Düsen installiert werden, um eine gleichmaßige Durchmischung zu erreichen. Oft ist auch der Einbau von zusätzlichen Schottwanden erforderlich, um eine Vergleichmäßigung der Strömung und der Durchmischung uber die Höhe des Abhitze-Dampferzeugers zu erreichen.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Abhitze-Dampferzeuger sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abhitze-Dampferzeugers zu schaffen, bei dem die Durchmischung der Prozess- bzw. Abgase mit sauerstoffhaltigem Gas innerhalb des Strahlungsraumes des Abhitze-Dampferzeugers und damit Nachreaktionen an Bestandteilen des Abgases verbessert werden bei gleichzeitig unveränderter Gesamtmenge des eingedüsten sauerstoffhaltigen Gases.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird hinsichtlich des Abhitze-Dampferzeugers durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Abhitze-Dampferzeugers durch die Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Durch die erfindungsgemäße Losung wird ein Abhitze-Dampferzeuger sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abhitze-Dampferzeugers geschaffen, der bzw. das die nachfolgenden Vorteile aufweist:
- – Wirkungsgraderhöhung des Abhitze-Dampferzeugers.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, daß die Düsen über die Breite B des Abhitze-Dampferzeugers gesehen in einem Abstand A von 200 bis 1000 mm zueinander angeordnet sind. Damit ist gewährleistet, dass über die Breite des Abhitze-Dampferzeugers ein ausreichender Eintrag von sauerstoffhaltigem Gas zur effizienten Nachreaktion von Bestandteilen des Abgases erfolgt.
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Vorzugsweise werden die Düsen in wenigstens einer Ebene angeordnet. Damit ist ein optimaler Eintrag von sauerstoffhaltigem Gas gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es ferner, den jeweiligen lichten Querschnitt Qli einer Düse mit 1 bis 200 cm2 auszubilden. Die Querschnittsfläche der Düse ist zuerst von der erforderlichen Mediumeinströmmenge, d. h. der Menge des einzutragenden sauerstoffhaltigen Gases, sowie dem Vordruck abhängig. Bei großen geometrischen Abmessungen des Abhitze-Dampferzeugers wird selbstverständlich mit großeren Gasmengen und somit auch mit größeren Düsenquerschnitten gearbeitet bzw. operiert.
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In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist der lichte Querschnitt der Düse rund. Bei bestimmten geometrischen Gegebenheiten des Abhitze-Dampferzeugers ist es weiterhin vorteilhaft, den Querschnitt der Düsen nicht rund, sondern länglich auszubilden. Dadurch kann die Form des Gasausströmkegels beeinflusst werden und somit die erreichbare Breite zur Durchmischung verbessert werden.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, als Mittel zur Bewirkung eines pulsierenden Eintrages des sauerstoffhaltigen Gases ein schnellöffnendes Absperrventil einzusetzen. Damit kann die Impulsdauer, also die Dauer des Eintrages des sauerstoffhaltigen Gases je nach Wunsch gesteuert werden.
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Vorteilhaft ist es, die Zeitperioden bzw. Taktzeiten der pulsierenden Eindüsung des sauerstoffhaltigen Gases, d. h. die Zeit vom Beginn einer Eindüsung bis zum Beginn der nächsten Eindüsung, zwischen 1 und 10 Sekunden zu wählen, wobei weiterhin in vorteilhafter Ausgestaltung die zeitliche Dauer der Eindüsung selbst, d. h. der Impuldauer zwischen 0,5 und 5 Sekunden liegt. Die Dauer der Taktzeiten und der Impulsdauer ist von der Größe und der Geometrie des Abhitze-Dampferzeugers abhangig. Sie beeinflusst auch die Turbulenz und die Durchmischung des sauerstoffhaltigen Gases mit dem Abgas.
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In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung beträgt die Austrittsgeschwindigkeit des durch die Dusen eingebrachten sauerstoffhaltigen Gases 20 bis 100 m/s. Damit wird erreicht, dass die Eindringtiefe des sauerstoffhaltigen Gases in das Abgas größtmöglich wird und eine entsprechend hohe Turbulenz im Abgas erzeugt wird.
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Zweckmäßig ist es, als sauerstoffhaltiges Gas Luft zu verwenden. Die Verwendung von Luft als vorhandenes Betriebsmittel ist kostenneutral und einfach zu bewerkstelligen. Um die Nachreaktionen an den Bestandteilen des Abgases ggf. noch effizienter zu gestalten kann es vorteilhaft sein, die Luft noch mit Sauerstoff anzureichern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, als sauerstoffhaltiges Gas Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Luftgemisch zu verwenden. Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Luftgemisch hat in der Regel einen hoheren Druck verglichen mit dem atmosphärischem Druck. Dadurch kann ein Mittel zur Druckerhöhung dieses Mediums entfallen.
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Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen und der Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 schematisch dargestellt einen Strahlungsraum eines Abhitze-Dampferzeugers im Längsschnitt,.
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2 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch den Strahlungsraum gemäß Schnitt A-A in 1.
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1 zeigt den Strahlungsraum 2 eines Abhitze-Dampferzeugers 1, in den die heißen Prozess- bzw. Abgase 5 aus einem metallurgischen Prozess, beispielsweise aus einem nicht dargestellten Schmelz- oder Konverterofen (in dem ein Reduktionsprozess stattfindet) in dessen vorderen Bereich 3 eingeleitet werden. Der Strahlungsraum 2 ist mit nicht dargestellten Strahlungsheizflächen ausgebildet, die von einem Arbeitsmedium, in der Regel Wasser bzw. Dampf, durchströmt werden. Das Arbeitsmedium nimmt Wärme aus dem heißen Abgas 5 auf und kuhlt das Abgas 5 dabei ab. Nach Durchströmung des Strahlungsraumes 2 strömt das Abgas 5 anschließend aus dem hinteren Bereich 9 des Strahlungsraumes 2 in den nicht dargestellten Konvektionsteil des Abhitze-Dampferzeugers 1, in dem dem Abgas weitere Wärme entzogen wird, das von dem in den Heizflächen des Konvektionsteil stromenden Arbeitsmedium aufgenommen wird. Die Abkühlung des Abgases 5 unter eine bestimmte Temperatur ist erforderlich, um eine weitere prozesstechnische Verarbeitung der Abgase 5 zu ermöglichen.
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Neben der Abkuhlung des Abgases 5 im Strahlungsraum 2 erfolgt in diesem ferner eine Nachreaktion des aus einem metallurgischen Prozess herrührenden Abgases 5, da das Abgas 5 noch Bestandteile wie beispielsweise Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe, also Reduktionsmittel aus dem vorausgegangenen Reduktionsprozess, aufweist. Zum Ausreagieren dieser Bestandteile (Reduktionsmittel) wird sauerstoffhaltiges Gas benötigt. Für die erforderliche Nachreaktion wird über Düsen 4, die im vorderen Bereich 3 des Strahlungsraumes 2 angeordnet sind, sauerstoffhaltiges Gas 6, vorzugsweise Luft, in den Strahlungsraum 2 eingebracht bzw. eingedüst, das sich bzw. die sich mit dem Abgas 5 vermischt und ein Ausreagieren der Bestandteile bzw. Reduktionsmittel bewirkt. Zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases 6 an die Düsen 4 sind Zuleitungen 7 vorgesehen. Die Düsen 4 sind in etwa unter 90° zu der oberen Umfassungswand 10 des Strahlungsraumes 2 und in der Umfassungswand 10 angeordnet (d. h. die Dusen 4 durchdringen die Umfassungswand 10), wobei die Umfassungswand 10 im vorderen Bereich 3 des Strahlungsraumes 2 schräg ausgebildet ist. Ferner sind die Dusen 4 vorzugsweise an der oberen Umfassungswand 10 installiert, möglich wäre es sie auch an der unteren Umfassungswand 10 anzuordnen.
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Um diese Nachreaktion an den Bestandteilen des Abgases 5 effizient durchführen zu können, ist eine wirkungsvolle Durchmischung des Abgases 5 mit dem sauerstoffhaltigen Gas 6 erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass die Eindüsung des sauerstoffhaltigen Gases 6 nicht kontinuierlich, sondern intermittierend bzw. pulsierend mit kurzen und impulsstarken sauerstoffhaltigen Gasstromstössen erfolgt. Ein Strömungsimpuls führt zu einer periodischen Beschleunigung und anschießender Beruhigung des eingedüsten sauerstoffhaltigen Gases 6 und verursacht somit eine höhere Turbulenz innerhalb des Strahlungsraumes 2 und eine bessere Durchmischung bzw. bessere Nachreaktion der im Abgas 5 enthaltenen Reduktionsmittel bzw. Bestandteile im Vergleich zu einem kontinuierlich eingedüsten sauerstoffhaltigen Gasstrom 6. In Abhängigkeit von dem Zeitverlauf und der Intensitat der Impulsströmung kann sowohl der Turbulenzgrad als auch der Mischbereich der heißen Abgase 5 und des sauerstoffhaltigen Gases 6 wesentlich vergrößert werden.
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Beim bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel erfolgt die Eindusung des sauerstoffhaltigen Gases 6 über eine Mehrzahl von Düsen 4, die über die Breite B der Strahlungskammer 2 gleichmäßig verteilt sind. Dabei sind die Düsen 4 vorzugsweise mit einem Abstand A von 200 bis 1000 mm zueinander angeordnet, wobei die Düsen 4 auf einer Ebene liegen wie in 2 dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, die Abstande der Düsen 4 zueinander unterschiedlich zu gestalten, beispielsweise mittig engere Abstande als außen zu wahlen. Eine weitere, nicht dargestellte Variante sieht vor, die Düsen 4 auf zwei oder mehreren Ebenen anzuordnen. Ferner weisen die Düsen 4 vorzugsweise jeweils einen lichten Querschnitt Qli von etwa 1 bis etwa 200 cm2 auf, wobei die Querschnitte der Düsen 4 rund oder länglich ausgebildet sein können.
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Die Austrittsgeschwindigkeit des durch die Düsen 4 eingebrachten sauerstoffhaltigen Gases 6 beträgt vorzugsweise 20 bis 100 m/s. Damit ist eine optimale Eindringung des sauerstoffhaltigen Gases 6 in das Abgas 5 gewährleistet. Ferner sind die Zeitperioden bzw. Taktzeiten der pulsierenden Eindüsung des sauerstoffhaltigen Gases 6, d. h. die Zeit vom Beginn einer Eindüsung bis zum Beginn der nächsten Eindüsung, vorzugsweise zwischen 1 und 10 Sekunden, wobei die zeitliche Dauer der Eindüsung selbst, d. h. die Impulsdauer zwischen 0,5 und 5 Sekunden liegt.
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Erfindungsgemäß ist die Zuleitung 7 zur Duse 4 mit einem Mittel 8 zur Bewirkung eines pulsierenden Eintrages ausgebildet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiels ist das Mittel 8 ein schnellöffnendes Absperrventil. Mittels dieses schnellöffnenden Absperrventils 8, welches von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung gesteuert wird, kann die Taktzeit und Impulsdauer der Eindüsung des sauerstoffhaltigen Gases 6 je nach Erfordernissen festgelegt werden. Dabei ist es möglich, für jede Düse 4 eine Zuleitung 7 mit einem Mittel 8 auszubilden. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Düsen 4 mit einer Zuleitung 7 zu bedienen und diese Zuleitung 7 mit einem Mittel 8 auszubilden, beispielsweise eine Zuleitung 7 bedient sämtliche Düsen 4. Dabei verzweigt die Zuleitung 7 vor den Düsen 4 entsprechend der zu bedienenden Anzahl der Düsen 4.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann als sauerstoffhaltiges Gas Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Luftgemisch verwendet werden. Wasserdampf oder ein Wasserdampf-Luftgemisch hat in der Regel einen höheren Druck verglichen mit dem atmospharischem Druck. Dadurch kann ein Mittel zur Druckerhöhung dieses Mediums entfallen und somit eine Wirkungsgradreduzierung vermieden werden.
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Mit dem vorliegenden Abhitzedampferzeuger bzw. dem Verfahren zum Betreiben eines solchen Abhitzedampferzeugers können Prozesse z. B. der Pyrit- und Zinkblenden-Röstung, Schwefelverbrennung oder Säurespaltung durchgeführt werden.
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Abhitze-Dampferzeuger 1 für die Kühlung von heißen Abgasen 5 aus metallurgischen Prozessen, wobei der Abhitze-Dampferzeuger 1 wenigstens einen Strahlungsraum 2 und im vorderen Bereich 3 des Strahlungsraumes 2 Düsen 4 sowie Zuleitungen 7 zu den Düsen 4 zum Eintrag eines sauerstoffhaltigen Gases 6 in den Strahlungsraum 2 aufweist und wobei mittels des eingedüsten sauerstoffhaltigen Gases 6 eine Vermischung des sauerstoffhaltigen Gases 6 mit dem Abgas 5 erfolgt und Nachreaktionen an Bestandteilen des Abgases 5 ausgelöst werden, und wobei die Zuleitungen 7 der Dusen 4 mit Mittel 8 ausgebildet sind, die einen pulsierenden Eintrag des sauerstoffhaltigen Gases 6 bewirken sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abhitze-Dampferzeugers
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abhitze-Dampferzeuger
- 2
- Strahlungsraum
- 3
- Vorderer Bereich des Strahlungsraumes
- 4
- Düsen
- 5
- Abgas
- 6
- Sauerstoffhaltiges Gas
- 7
- Zuleitung
- 8
- Mittel
- 9
- Hinterer Bereich des Strahlungsraumes
- 10
- Umfassungswand des Strahlungsraumes
