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Verfahren zum Kühlen hochbeanspruchter Teile an metallurgischen oder
chemischen Öfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausnutzen der Kühlwärme
an metallurgischen oder chemischen Öfen, insbesondere Hochöfen, Niederschachtöfen,
Siemens-Martin-Öfen, Kupolöfen, Röstöfen und ähnliche.
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Die Kühlstellen haben entweder den Zweck, das Mauerwerk vor zu hohen
Temperaturen zu schützen oder Einrichtungen zur Einführung von Brennstoff oder Luft
in den heißen Verbrennungsraum zu schaffen (Brennerluftdüsen), oder auch den Zweck,
Einrichtungen zu schaffen, die es ermöglichen, die Beschickung des Ofens ohne Beschädigung
des Mauerwerks durchzuführen (z. B. Türkühlrahmen bei SM-Öfen). Die hierbei zwangsweise
anfallende Wärmeabfuhr durch Kühlmittel ist an sich unerwünscht und entzieht dem
eigentlichen Primärprozeß eine beachtliche Wärmemenge.
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Es beträgt z. B. die Wärmeabfuhr durch Kühlwasser bei SM-Ofen (Türkühlrahmen,
Brenner und andere Kühlstellen) etwa 200 000 kcal /t Stahl. Bei einem Gesamtverbrauch
des SM-Ofens von 1,2 Mill. kcal/t Stahl werden nur etwa 450 000 kcal/t tatsächlich
im Primärprozeß nutzbar gemacht. Der Rest entfällt auf Kühlwasser-, Strahlungs-
und Abgasverluste. Gelänge es, durch Kühlung bei höheren Temperaturen den Kühlverlust
zu reduzieren, so erhielte die Schmelze entsprechend mehr Wärme, und es verringerte
sich damit der Gesamtwärmeverbrauch. Dies tritt in erkennbarem Maße schon beim Übergang
von der normalen Kaltkühlung auf die Heißkühlung mit Wasser ein und würde weiterhin
verbessert werden durch Einsatz von Flüssigkeiten mit höheren Siedepunkten. Könnte
z. B. die Kühlmitteltemperatur auf 700° C gesteigert werden, so könnte man mit einer
Verminderung des oben genannten Kühlverlustes von 200 000 auf 150 000 kcal/t rechnen.
Zur Deckung der insgesamt verbrauchten Wärmemenge wären also nur 909/o der bei Kaltkühlung
notwendigen Wärme zuzuführen, damit würden auch die Abgasverluste und der Energieverbrauch
für Gas-, Öl-, Luft- und Abgastransport im entsprechenden Verhältnis kleiner werden.
Insgesamt könnte durch Übergang auf Heißkühlung mit einer Verbesserung des effektiven
Schmelzwirkungsgrades um etwa 14% gerechnet werden.
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Es ist bekannt, zur Kühlung metallurgischer und chemischer Öfen Kühlmittel
zu benutzen, deren Verdampfungspunkt bei etwa 454° C liegt. Die Kühlung wird bei
den bisher bekannten Verfahren so geleitet, daß die Kühlflüssigkeit, deren Schmelzpunkt
bei etwa 140 bis 150°C liegt, während ihrer Erwärmung keine oder nur eine vernachlässigbar
geringe Menge an Dampf bildet, wodurch eine intensive Kühlung bei niedrigen Drücken
erreicht werden soll. Diese Art der Kühlung hat aber den Nachteil, daß sehr große
Mengen des verhältnismäßig teuren Zwischenkühlmittels erforderlich sind, nebst zugehörigen
Behältern, Anwärmvorrichtungen für die Verflüssigung - es ist eine Erwärmung auf
etwa 205° C vor Inbetriebnahme erforderlich - usw. Ferner wird hierbei vorausgesetzt,
daß die Kühlmitteltemperatur an den Kühlstellen annähernd konstant bleibt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, 1. die Menge
des umlaufenden Zwischenkühlmittels zu beschränken, 2. die Temperatur auf der Innenseite
der Kühleinrichtung so hoch zu halten, daß die Randzonen, die an die Kühlstellen
angrenzen, nicht zu stark -gekühlt werden, 3. die Wärmeabfuhr so zu steuern, daß
eine günstige Einwirkung auf die chemischen Vorgänge im Ofen möglich ist.
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Um bei beschränkter Gesamtmenge des Zwischenkühlmittels genügend Kühlwärme
entnehmen zu können, wird der Umlauf des Kühlmittels so geleitet, daß mindestens
ein Teil des umlaufenden Kühlmittels verdampft. Die im Kühlmittel enthaltene Wärme
wird anschließend in Wärmeaustauschern abgegeben und das dabei wieder in flüssigen
Zustand übergeführte Kühlmittel im Kreislauf an die zu kühlenden Stellen zurückgeführt.
Dadurch wird es möglich, die Gesamtmenge des Zwischenkühlmittels herabzusetzen.
Außerdem wird es durch die Erfindung möglich, örtlich höhere Temperaturen zuzulassen
und eindeutig zu beherrschen, ohne eine Schädigung der Einrichtungen durch mangelhafte
Kühlung befürchten zu müssen. Diese örtlich höheren Temperaturen, die bisher nicht
als zulässig angesehen wurden, beeinflussen aber in
außerordentlich
günstiger Weise die im Innern des Ofens ablaufenden chemischen Vorgänge.
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Als Beispiel sei der Siemens-Martin-Ofen näher erläutert. Dort werden
zur Zeit die Türkühlrahmen und die Brenner wasserseitig an den Abhitzekessel angeschlossen.
Der Dampfdruck der Abhitzeanlage wird in neuerer Zeit immer mehr gesteigert. Zur
Zeit werden Kesselanlagen für 120 atü erstellt. Dabei wird die Konstruktion der
Kühlelemente, in denen Wasser verdampft, infolge der doppelten Beanspruchung durch
einseitige starke Erwärmung und die hohen Innendrücke immer schwieriger. Es ist
ein Ziel der Erfindung. die Drücke in diesen Elementen so weit herabzusetzen, daß
die Wandstärken bei den durch die Ofenkonstruktion vorgesehenen Formen noch beherrscht
werden können, ohne daß unzulässige Spannungen auftreten. Diese Herabsetzung der
Drücke für Kühlelemente ist auch für die Verbindungsleitungen bei Kippöfen wichtig,
weil dort die Gelenke oder Stopfbüchsen eingebaut werden müssen.
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Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet besteht darin, die Türen selbst
als Heißkühlelemente auszubilden, was nur möglich ist, wenn niedrige Drücke verwendet
werden können. Andererseits muß jedoch die erzeugte Dampfmenge aus wirtschaftlichen
Gründen mit möglichst hohem Druck anfallen. Auch hier ergibt die Verwendung flüssiger
Metalle als Wärmeträger eine günstige Lösung.
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Durch die Einstellung hoher Wandtemperaturen wird weiterhin erreicht,
daß die Wärmeabfuhr der Kühlstellen eingeschränkt wird und damit ein größerer-Teil
der dem Ofen zugeführten Wärme tatsächlich dem Ofenprozeß zugute kommt.
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Hierdurch wird in vielen Fällen, z. B. bei Röstöfen oder bei Kupolöfen,
ein günstiger Einfluß auf den chemischen oder metallurgischen Prozeß erreicht, denn
die Randtemperaturen sind bedeutend höher als bei dem bisherigen Verfahren der Heißkühlung
mit verdampfendem Wasser. Der Prozeß verläuft dadurch gleichmäßiger und schneller.
Das Verhalten der Schlacke in den Randgebieten wird bedeutend günstiger.
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Da bei den angewendeten Verfahren die Kühlwärme Init verhältnismäßig
hohen Temperaturen abgeführt werden kann, ergibt sich weiterhin die Möglichkeit,
die Überhitzung des beim :Niederschlagen des Zwischenkühlmittels erzeugten Dampfes
aus der Kühlwärme, d. h. ohne Einsatz von fremden Wärmeerzeugern, zu decken. Um
die wirtschaftliche Bedeutung dieses Verfahrens zu beweisen, werden folgende Berechnungsgrundlagen
gegeben: I. Verwendung von Wasser für die Heißkühl systeme bei einem Dampfdruck
von 100 ata und Überhitzung des entstehenden Sattdampfes durch eine fremde Wärmequelle.
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Bei einer angenommenen Überhitzung des Dampfes auf 500° C sind hierzu
unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade von Zentralüberhitzern noch zusätzlich
180 kcal/kg zuzuführen. Aus 1 kg Dampf dieses Zustandes lassen sich bei einem Dampfzustand
vor der Turbine von 82 ata und 500 C 0,262 kWh/kg Dampf erzeugen. Der zusätzlicheWärmeverbrauch
aus anderenWärmequellen pro kWh beträgt dabei 690 kcal/kWh.
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1I. Wird ein Umlaufmittel mit hohen Verdampfungstemperaturen angewendet,
so läßt sich in einem Wärmeaustauscher ein Dampfdruck von angenommen 200 ata erreichen.
Die erzeugbare Dampfmenge beträgt dann bei der gleichen Abhitzewärmemenge wie unter
1 1,14 kg Sattdampf. Hierbei ist wie bei I und den nachfolgendenRechnungspunkten
jeweils eineSpeisewassertemperatur von 100° C vorausgesetzt. Bei Erhitzung dieses
Dampfes von 540° C (gleicher Wärmeinhalt wie bei I) müssen aus fremden Wärmequellen
298 kcal/1,14 kg Sattdampf zugeführt werden.
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Die mögliche Stromerzeugung aus diesem Dampf (Turbineneintrittsdruck
180 atü) ergibt sich zu 0,3215 kWh/kg Dampf.
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III. Bei Abführung der Kühlwärme mit umlaufenden Metallen hoher Temperatur
kann die Überhitzungswärme aus der Kühlwärme, also ohne Inanspruchnahme fremder
Wärmequellen gedeckt werden. Bei dem unter I angenommenen Dampfzustand von 100 ata
und 500° C ergibt sich eine erzeugbare Dampfmenge von 0,78 kg. Mögliche Stromerzeugung
...... 0,20-1 kWh Wärmezuführung aus fremden Quellen . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 0,0 kcal/kWh IV. Wird das gleicheVerfahren wie unter III,
jedoch mit einem Dampfzustand von 200 ata und 540° C vorausgesetzt, so ergeben sich
folgende Werte: Erzeugbare Dampfmenge ....... 0,78 kg Erzeugbare Strommenge
. . . . . . . . 0,220 kWh Wärmezusatz aus fremden Stromquellen . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 0,0 kcal/kWh V. Wie bereits erwähnt, ist es bei manchen
Heißkühlsystemen notwendig, statt Stahl andere Werkstoffe zu wählen. Dadurch werden
die erreichbaren Dampfdrücke bei Wasserdampf weiter herabgesetzt. Es wird infolgedessen
in diesem und dem nachfolgenden Punkt VI noch das zu erwartende Ergebnis bei einem
Wasserdampfdruck von 24 ata errechnet, und zwar im Punkt V unter Zugrundelegung
der Erzeugung von Sattdampf in dem Kühlsystem.
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Erzeugbare Dampfmenge
....... 0,97 kg Benötigte Fremdwärme
zur Über-'' ' hitzung auf 460° C (gleicher Wärmeinhalt wie bei I)
......
155 kcal Erzeugbarer Strom (Dampfdruck' vor der Turbine 21 ata)
...... 0,216
kWh Wärmeverbrauch aus fremden Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
720 kcal/kWh VI. Gleiches Verfahren wie unter V, jedoch Zuführung der Überhitzungswärme
aus der Kühlwasserwärme. Erzeugbare Dampfmenge
....... 0,78 kg Erzeugbarer
Strom . . . . . . . . . . . . . 0,175 kWh Wärmezufuhr aus fremden Quellen 0,0 kcal/kWh
Würden durch Einsatz von Umlaufmitteln mit hohen Verdampfungstemperaturen bei niedrigen
Drücken hinsichtlich des Dampfzustandes dieselben Dampfverhältnisse auftreten wie
bei den Punkten I bis V, was bei diesem Verfahren möglich ist, so sind die unten
den Punkten von I bis V errechneten Werte zu erwarten.
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| Aus den Beispielen ist ersichtlich, daß beim Ein? |
| satz von Umlaufmitteln, die bei höherer Tem |
| verdampfen, sowohl bei der Erzeugung von Satf -' |
| aus der Kühlwärme als auch bei der dann möglichen |
| Erzeugung von überhitztem Dampf aus der Kühlt:.: |
| wärme wirtschaftliche Vorteile erreicht werdemee', |
bei den bisher bekannten Verfahren weder angestrebt noch erkannt
worden sind. Ganz besonders ist darauf hinzuweisen, daß die Möglichkeit der Erzeugung
von überhitztem Dampf aus Kühlwärme bisher unbekannt war.
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Bei Stromerzeugung mit gefeuertem Kessel würde sich bei Beibehaltung
der obigen Berechnungsgrundlagen und unter Einsatz eines Kesselwirkungsgrades von
90°/o folgender spezifischer Wärmeverbrauch ergeben: Kesseldampfdruck 100 ata, 500°C
. . . 3000 kcal/kWh Kesseldampfdruck 200 ata, 540°C . . . 2790 kcal/kWh Kesseldampfdruck
24 ata, 460°C . . . 3520 kcal/kWh Aus diesen Berechnungsunterlagen ergibt sich folgende
Vergleichstabelle:
| Beredinungspunkte |
| I i II ' III I IV I V VI |
| i |
| Zuzuführende Fremdwärme, kcal kWh 690 930 0 0 720 0 |
| Erzeughare Strommenge aus gleichen I |
| Ahhitzewärmemengen, kWh ........ 0,262 0,321 0.26=1 0,220 ;
0.216 0,175 |
| Fremdwärme, bezogen auf leiche Kühl- |
| Wärmemengen, kcal ...... ... .. . . . . ... 180 I 298 |
| 0 0 i 155 0 |
| Aus dieser Fremdwärme bei der aber- i |
| hitzung aus den Kühlwärmen in einem |
| Dampfkessel zusätzlich erzeugbare |
| Strommenge ....................... 0 1 0 0,06 0,107 0 0,044 |
| Gesarntstrommenge beim Einsatz glei- |
| cher Wärmemengen, kWli .......... 0,262 0,321 I 0.264 0,327
0,216 0,219 |
Legt man den Berechnungspunkt V einem Vergleich zugrunde, so ergibt sich folgende
prozentual zusätzliche Strommenge:
| I II HI IV V VI |
| 21,4'% I 48,5"/o I 22,2% I 51,2,1/o. I 0°/o I 1,40/0 |
Der überraschende und bisher nicht erkannte Einfluß des neu vorgeschlagenen Verfahrens
auf die Wirtschaftlichkeit der Energieerzeugung aus den Kühlwärmen von Öfen ist
aus diesem Zusammenhang eindeutig ersichtlich.
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Zusätzlich zu den Vorteilen, die die Energieseite betreffen, werden
noch die im folgenden dargelegten besonderen verfahrenstechnischen Vorteile erzielt.
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Werden beispielsweise bei Hochöfen oder Kupolöfen die Windformen mit
höheren Kühlmitteltemperaturen gekühlt, so wird auch der Wind mit höheren Temperaturen
in den Ofen eintreten als bisher. Die Erhöhung der Windtemperatur bewirkt eine wesentliche
Verringerung des Koksverbrauchs in den Öfen.
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Genauso wichtig ist der Einfluß der erhöhten Temperatur des Kühlmittels
bei den erfindungsgemäßen Änderungen des Schmelzraumes (Bettes). Bei normalen Schachtöfen
wird das Bett durch Außenberieselung von Wasser gekühlt. Die Steintemperatur im
Ofeninnern bleibt dabei verhältnismäßig hoch, und der Schmelzvorgang wird nur wenig
beeinflußt. Beim Einsatz von Heißkühlstellen im Schmelzbett befinden sich die Kühlstellen
viel näher am Schmelzgut, denn die entsprechenden Rohre werden lediglich bestiftet
und sind dann nur durch die an der Bestiftung haftende Schlackenmenge vom Schmelzgut
getrennt. Sie erhalten also nur eine verhältnismäßig dünne Isolierschicht. Besonders
bei kleineren Kupolöfen treten hierbei Randbedingungen auf, die den Schmelzvorgang
und die Eisenqualität ungünstig beeinflussen. Beim Übergang auf Heißkühlung mit
hohen Temperaturen werden die Randbedingungen günstiger und können denen bei ausgemauerten
Öfen mit Außenkühlung angeglichen werden. Es ergibt sich dabei der bisher nicht
erkannte Effekt, daß ohne Beeinflussung der Schmelzvorgänge und der Materialdualität
die hei der Außenkühlung bisher unverwendbar abgeführteKühlwärme in Energie umgesetzt
werden kann. Bei einem hupolofen mit einer Leistung von 1 t/h betrug die durch Heißkühlung
mit Wasser bei 20 Atmosphären gewonnene Dampfmenge etwa 0,7 t/t Eisen, was einer
Verbilligung des Eisens um etwa 6,-2A entspricht.
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Ein weiterer durch die Erfindung erzielbarer Vorteil besteht darin,
daß die Menge der abzuführenden Wärme gesteuert werden kann. Dadurch kann die Wärmeabfuhr
den gewünschten Verhältnissen im Innern des Ofens angepaßt und ein günstiger Ablauf
des metallurgischen Prozesses herbeigeführt werden. Eine etwaige Verminderung der
Energieerzeugung durch verminderte Abfuhr von Kühlmittelwärme muß dabei in Kauf
genommen werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Verwertung der Kühlwärme besteht darin,
daß zur Abkühlung bzw. zum Niederschlagen des Zwischenkühlmittels nicht Wasser,
sondern Luft verwandt wird. Die hierbei auf eine hohe Temperatur vorgewärmte Luft
kann zum Antrieb einer Heißluftturbine dienen, wobei sie zweckmäßig auf einen höheren
Druck vorverdichtet wird, z. B. 20 Atm., oder sie kann auch in den eigentlichen
Prozeß zurückgeführt werden, wodurch andere Vorwärmeeinrichtungen eingespart werden
können.
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Insbesondere bei Hoch- und Kupolöfen stand man bisher der intensiven
Kühlung der Blasdüsen ablehnend gegenüber, weil bei Auftreten einer Undichtigkeit
mit Wassereinbrüchen gerechnet werden muß, die in besonders ungünstigen Fällen zu
Explosionen führen können. Bei Verwendung metallischer Kühlmittel besteht diese
Gefahr zwar nicht, jedoch könnte bei Eindringen größerer Mengen von Metallen die
Eisenqualität ungünstig beeinflußt werden, ganz abgesehen von dem Verlust des teuren
Zwischenkühlmittels. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird nach einem weiteren Vorschlag
der Erfindung vorgesehen, jeder Düse oder je einer Gruppe von Düsen einen Kühlmittelstrom
zuzuordnen, der in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Dadurch kann bei
Undichtigkeiten immer nur ein Teil der Kühlflüssigkeit in das Innere des Ofens eindringen,
wodurch eventuelle Schäden herabgesetzt werden.
Das V erfahren ermöglicht
es, als zum Abkühlen des Zwischenkühlmittels dienendes sekundäres Kühlmittel unter
hohem Druck stehendes Wasser zu verwenden, wodurch die Erzeugung von Hochdruckdampf
und damit eine entsprechende Steigerung der Stromausbeute ermöglicht wird.