DE1812366A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten und Erhitzen von Nutzgasen - Google Patents

Description

• "Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten und Erhitzen von Nutzzasen" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten und Erhitzen von Nutzgasen, insbesondere von Hochofenwind, der beispielsweise mit einer Temperatur von 8000C bis 12000C und einem Druck bis 3 ata in einen Hochofen eingeblasen wird0 Bei den bekannten Verfahren wird das Nutzgas üblicherweise in zwei voneinander unabhängigen Aggregaten erwärmt und verdichtet. So wird der Hochofenwind beispielsweise zunächst durch einen von einer Wärmekraftmaschine angetriebenen Verdichter auf 2 bis 3 ata gebracht und dann unabhängig davon in einem Winderhitzer auf 800 bis 1200°C erwärmt. Sowohl die Verdichtung als auch die Erwärmung sind mit Abgasverlusten verbunden. Außerdem muß das Nutzgas bei hohen Temperaturen in Regeneratoren erwärmt werden, die erhebliche Kosten verursachen und viel Platz erfordern.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die vorerwähnten Nachteile zu beheben und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die aufgrund eines besseren Wärmeübergangs bzwv einer höheren Strömungsgeschwindigkeit weitaus wirtschaftlicher arbeitet und im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine Verringerung der Heizfläche erlaubt.
• Die Lösung der Aufgabe basiert auf dem Gedanken, das Nutzgas in einem einzigen geschlossenen Verfahren zu erwärmen und zu verdichten0 Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß das Nutzgas verdichtet, ein Teilstrom mit einem verdichteten Heizgas zur regenerativen oder rekuperativen Erwärmung des Hauptgasstromes verbrannt und die Verbren nungsabgase in einer einen Heiz- und einen Nutzgasverdichter antreibenden Entspannungsmaschine entspannt werden0 Dabei ist es von besonderem Vorteil, das verdichtete Nutzgas durch das Abgas der Entspannungsmaschine9 beispielsweise einer Gleichdruckgasturbine oder eines Veloxkessels mit Dampfturbine, vorzuwärmen und auf diese Weise die Abgaswärme voll auszunutzen0 Werden Heizgas und Nutzgas auS den gleichen Druck verdichtet, so herrscht beispielsweise in einem Rekuperator sowohl auf der Heißgas- als auch auf der Kaltgasseite derselbe Druck. Hieraus ergeben sich eine Reihe von Vorteilen; so gestattet der Gleichdruck die Verwendung eines Rekuperators aus feuerfestem Material an Stelle von zwei Regeneratoren0 Weiterhin wird die Verwendung rotierender Wärmeaustauscher oder von Regeneratoren mit bewegter fester Speichermasse möglich, bei denen beispielsweise feuerfeste Kugeln durch eine Verbrennungs- und eine Heizzone wandern.
• Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Regeneratoren, deren einer aufgeheizt wird, während der andere seine Wärme an das Nutzgas bzwo den Heizwind abgibt, ergibt sich insofern ein wesentlicher Vorteil, als wegen des höheren Druckes des Heizgases und des Nutzgases infolge der dadurch bedingten größeren Gasdichte und Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeübergang besser ist, so daß die erforderliche Ubertragungsfläche kleiner gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich weniger Wärme erfordert, als die herkömmlichen Verfahren, weil sowohl die Nutzgaswärme als auch die Wärmeenergie für den Betrieb der Verdichter und gegebenenfalls die Vorwärmung des Nutzgases bei der Verbrennung an einer einzigen Stelle entsteht. Schließlich sind aus demselben Grunde auch die Abgasverluste geringer als bei den herkömmlichen Verfahren, bei denen die Verdichtung und Erwärmung in zwei voneinander getrennten Prozessen erfolgt. Diese Vorteile werden ohne Erhöhung der insta:erten Maschinenleistung erlangt, wohinzu noch eine gro.<J;^e t sdauer infolge des gleichen Drucks beim Heiz- und beim Nutzgas tritt0 Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einer Vorrichtung durchführen, die aus je einem einem Nutzgasverdichter und einem Heizgasverdichter nachgeordneten ausgangsseitig mit dem Verbraucher, beispielsweise einem Hochofen und einer Entspannungsmaschine, beispielsweise einer Gleichdruckgasturbine, verbundenen Regeneratoren besteht.
• An die Stelle zweier Regeneratoren kann aber auch ein einziger Rekuperator treten, wobei dann der Nutzgasverdichter mit dem Heizraum und dem Verbrennungsraum des Rekuperators und der Heizgasverdichter mit dem Verbrennungsraum des Rekuperators verbunden sind, dessen Heizraum dann mit dem Verbraucher und dessen Verbrennungsraum mit der Entspannungsmaschine verbunden sind. Schließlich kann der Nutzgasverdichter auch mit der Heizzone und der Verbrennungszone sowie der Heizgasverdichter mit der Verbrennungszone eines Regenerators mit bewegter fester Speichermasse verbunden sein, dessen Heizzone mit dem Verbraucher und dessen Verbrennungszone mit der Entspannungsmaschine verbunden ist0 In diesem Falle erfolgte die Rückführung der festen Speichermasse vorzugsweise pneumatisch über eine sich zwischen Regeneratorfuß und kopf erstreckende Rückleitung, in die Verbrennungsabgase zur pneumatischen Förderung der Speichermasse eingeleitet werden können.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
• In der Zeichnung zeigen: Abb 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit zwei üblichen Regeneratoren als Gaserhitzer, Abb. 2 die gleiche Anordnung9 bei der jedoch die beiden Regeneratoren durch einen Rekuperator ersetzt sind Abb. 3 eine Vorrichtung mit einem Gaserhitzer und fester Speichermasse in Form feuerfester Kugeln0 Bei der in Abb. 1 dargestellten Vorrichtung zum Verdichten und Erhitzen von Wind für einen Hochofen, sind ein Heizgas verdichter 19 ein Nutzgasverdichter 29 der die Verbrennungsluft und den Hochofenwind verdichtet9 und eine Ent spannungsturbine 3 auf einer Welle angeordnet. Dieselbe Welle trägt eine Anlaufmaschine 4, zoBo eine getrennt vom übrigen System arbeitende Gasturbine oder einen Elektromotor mit Regelgetriebe. Durch die Leitungen 5 und 6 wird den Verdichtern 1 und 2 beispielsweise Erdgas und Luft zugeführt. Nach dem Verdichten auf beispielsweise 3 ata strömt die Luft durch die Leitung 7 zunächst in einen metallischen Rekuperator 8, der das Abgas der Entspannungsturbine 3 abkühlt unddie Luft vorwärmt, die durch die Leitung 9 zum Verteiler 10 strömt.
• Vom Verteiler 10 aus fließt der eine Hauptstrom der Luft, nämlich der Hochofenwind über die Leitung 11 in den Regenerator 12, er wird dort hoch erhitzt und strömt durch die Leitung 13 zum Hochofen. Der verbleibende Teilstrom der Luft fließt als Verbrennungsluft durch die Leitung 16 zum Brennraum des Regenerators 15 und verbrennt dort mit dem durch die Leitung 14 zugeführten verdichteten Erdgas; Der größte Teil der Wärme des Verbrennungsgases wird an das Gitterwerk des Regenerators 15 abgegeben. Durch die Leitung 17 fließt dann das Verbrennungsabgas zur Entspannungsturbine 3 und von dort nach Entspannung auf atmosphärischen Druck durch den Rekuperator 8 und die Leitung 19 ins Freie.
• Wenn das feuerfeste Mauerwerk im Regenerator 12 abgekühlt und im Regenerator 15 hoch genug erhitzt ist werden die beiden Regeneratoren umgeschaltet. Im Brermzraum des Regenerators 12 findet dann die Verbrennung statt, und durch den Besatz des Regenerators 15 wird der Hochofenwind erwärmt. Im Gegensatz zum üblichen Verfahren stehen beide Regeneratoren 1, 12 während der AuSheiz- und Abkuhlperiode unter gleichem Druck. Das vereinfacht die Armaturen und vermeidet unerwünschte Spannungen und Dehnungen der Verbindungsrohre und der Stahlmäntel der Regeneratoren.
• Bei der Vorrichtung nach Abb. 2 sind lediglich die Regeneratoren 12 und 15 durch einen Wärmeaustauscher 20, beispielsweise einen Rekuperator ersetzt. Im Bereich tiefer Temperaturen kann dieser mit Metallrohren ausgestattet sein; bei höheren Temperaturen sollte er jedoch aus feuerfestem Material bestehen Die dabei unvermeidlichen Undichtigkeiten können sich r.1cht schädlich auswirken weil auf beiden Seiten, d.h. im Verbrennungs- und im Kühlraum gleicher Druck herrscht. Im ganzen System kann aber auch der Nutzgasdruck etwas höher gehalten werden als der Heizgasdruck, so daß stets nur das Verbrennungsm oder das Turbinenabgas durch Luft verdnnt werden Das ist nicht schädlich» zumal diese Falschluft bei der Entspannung in der Turbine 3 Arbeit liefert0 Umgekehrt wird dadurch eine Zumischung von Verbrennungsgas zum Wind9 die für den Hochofenbetrieb schädlich sein könnte» vermieden, Der Rekuperator kann auch in zwei Teilen einem aus mez tallischen Rohren und einem zweiten aus feuerfestem Material bestehend In jedem Falle ergibt sich der Vorteil, daß zwei Regeneratoren mit verhältnismäßig großer Heizfläche durch einen Rekuperator bzwO durch zwei hintereinandergeschaltete Teilrekuperatoren mit wesentlich kleineren Heizflächen ersetzt werden0 In Abb. 3 wurden der Einfachheit halber die Verdichter und die Entspannungsturbine nicht eingezeichnet. Die Anschlußleitungen haben die gleiche Bezifferung wie in Abbo 1 und 2. Der Wärmeaustauscher besteht dagegen aus einem Pebbleheater 20, dehe einem Wärmeaustauscher mit wandernder feuerfester Speichermasse0 Der Behälter 20 ist mit feuerfesten Kugeln gefüllt, die im oberen Teil durch Verbrennung von Erdgas erhitzt werden» das durch die Leitung 14 zugeführt wird. Die Verbrennungsluft fließt vom Verteiler 10 durch die Leitung 16 zur Verbrennungszone0 Das entstehende Verbrennungsgas durchströmt die Kugelschüttung und fließt dann durch die Leitung 17 zur Entspannungsturbine 3. Oberhalb des Bodens des Wärmeaustauschers 20 tritt vom Verteiler 10 kalter Wind in die Kugelschicht ein, strömt nach oben, wird dabei erhitzt und fließt dann durch die Leitung 13 zum Hochofen. Die Kugeln rollen vom Boden des Wärmeaustauschers 20 durch ein Rohr auf einen Rost 23, der in einer senkrechten Rückleitung 24 angeordnet ist. Die Menge der durch das Rohr bewegten feuerfesten Kugeln kann durch eine nicht mMgezeichnete Fördereinrichtung geregelt werden. In die Rückleitung 24 strömt von unten heißes Verbrennungsabgas, das etwa in halber Höhe des Verbrennungsraumes dem Wärmeaustauscher 20 entnommen und durch die Leitung 25 unter den Rost 23 geführt wird. Die Gasmenge wird dabei so bemessen, daß sie die Kugeln pneumatisch nach oben fordert; sie fallen dann wieder auf die im Wärmeaustauscher 20 langsam nach unten wandernde Füllung, während das Fördergas mit dem Verbrennungsabgas durch die Leitung 17 zur Turbine 3 strömt.
• Eine Drucksphleuse, die sonst bei der Anwendung derartiger Wärmeaustausch erforderlich ist, wenn das Heizgas einen anderen Druck hat als das zu erwärmende Nutzgas, ist überflüssig. Die vielen, im technischen Schrifttum bekanntgewordenen Vorschläge zur Wärmeübertragung dieser arzt lassen sich also bei dem neuen Verfahren vereinfacht anwenden. Auch rotierende Gaserhitzer, beispielsweise Ljungström-Vorwärmer, die wegen des unvermeidlichen Spaltes zwischen dem rotierenden und feststehenden Teil nur bei sehr kleinen Druckunterschieden zwischen Verbrennungs-und Heizraum benutzt werden können, lassen sich im Rahmen des erfindungsgemänen Verfahrens zur Vereinfachung und Verbilligung der Wärmeübertragung verwenden.
• Durchgerechnete Zahlenbeispiele zeigen, daß die zu installierende Maschinenleistung bei der kombinierten Verdichtung und Erhitzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht größer ist als bei der heute üblichen getrennten Verdichtung und Erhitzung.
• Die Temperatur des aus den Wärmeaustauschern 12 bzwc 15 oder 20 austretenden Verbrennungsabgases kann durch Ein; spritzen von Wasser gesenkt und auf die höchstzulässige Eintrittstemperatur der Turbine 3 eingeregelt werden.
• Dadurch steigt gleichzeitig die aus dem Verbrennungsgas gewinnbare Arbei-tO Die dann noch zur Verdichtung des Hoch ofenwindes fehlende Energie kann von dem beispielsweise als Gasturbine ausgebildeten Hilfsaggregat 4 geliefert werden.
• Das -neue Verfahren arbeitet umso günstiger9 je mehr es gelingt, den Anteil der Hilfsmaschine 4 an der zur Verdichtung benötigten Arbeit zu vermindern. Nit diesem Ziel kann man zOBO das Heizgas und das Nutzgas auf einen höheren Druck bringen als der Hochofen verlangt z.B0 auf 4 ata, und dann in Vorschaltstufen der Turbine 3 auf beispielsweise 3 ata entspannen. Im gleichen Sinne wirkt esS wenn das Gas bei der weiteren Entspannung von 3 ata in einer Zwischenstufe, beispielsweise bei 2 ata, zwischenüberhitzt wird0 Es soll möglichst ein Brennstoff benutzt werden, dessen Volumenverhältnis zur Verbrennungsluft möglichst groß ist0 Durch Anwendung dieser Mittel läßt sich erreichen, daß die zur Erhitzung des Nutzgases auf die gewünschte Temperatur notwendige Verbrennungsgasmenge, die zur Erreichung des gewünschten Druckes erforderliche Arbeit liefert9 so daß die Hilfsmaschine 4 nicht herangezogen zu werden braucht Weitere Mitte1 um dieses Ziel zu erreichen stehen durch das oben bereits erwähnte Wassereinspritzen vor der Entspannungsturbine oder das entsprechende Abstimmen der verlangten Temperatur- und Druckwerte bei der Planung und beim Entwurf der Gesamtanlage zur Verfügung. Je höher die verlangte Temperatur, desto höher kann der Druck ohne Zuhilfenahme einer Hilfsmaschine gesteigert werden. Bei einer solchen Abstimmung läßt sich unter Zuhilfenahme der oben geschilderten Mittel beispielsweise erreichen, daß unter der Annahme einer Temperatur von 1250 0C und eines Druckes von 3 ata je Nm3 Hochofenwind, etwa ein Nm3 Verbrennungsgas, das dann gleichzeitig zum Erhitzen des Nutzgases benutzt wird, verdichtet und entspannt werden muß. Die zu installierende Maschinenleistung ist dann kleiner als bei dem heute üblichen Verfahren. Dabei ergeben sich auch die günstigsten Wärmeverbrauchszahlen für das kombinierte Verdichten und Erhitzen neben den oben geschilderten Vorteilen, insbesondere der Vereinfachung der Wärmeaustauscher und der Verkleinerung ihrer Austauschflächen,

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Verdichten und Erhitzen von Nutzgasen9 insbesondere von Hochofenwind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Nutzgas verdichtet und ein Teilstrom mit einem verdichteten Heizgas zur regenerativen und rekuperativen Erwärmung des Hanptstromes verbrannt und die Verbrennungsabgase in einer einen Heiz- und einen Nutzgasverdichter antreibenden Entspannungsmaschine entspannt werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 19 d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t 9 daß das verdichtete Nutzgas durch das Abgas der Entspannungsmaschine vorgewärmt wird0 5, Verfahren nach Anspruch 1 oder 29 d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t s daß das Heizgas und das Nutzgas auf den gleichen Druck verdichtet werden.

   4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c-h n e t a daß der Hauptstrom und der Teil strom durch je einen Regenerator geleitet werden.

   5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 49 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t 9 daß die Temperatur und der Druck des Nutzgases so aufeinander abgestimmt werden9 daß die durch die Nutzgasendtemperatur gegebene Brennstoff und Verbrennungsgasmenge die zur Erreichung des gewUnschten Druckes notwendige Arbeit liefert.

   6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t t daß das Abgas der Entspannungsmaschine vor einer weiteren Entspannung in einer vorgeschalteten Nutzgas- und Heizgasturbine zwischenüberhitzt wird.

   7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verbrennungsabgas während der Entspannung in der Entspannungsmaschine zwischenüberhitzt wird.

   8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das verdichtete Nutzgas durch das verdichtete Verbrennungsgas eines Veloxkessels vorgewärmt wird, dessen Dampf inner die Verdichter antreibenden Dampfturbine zugeführt wird.

   9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in das Verbrennungsabgas vor dem Eintritt in die Entspannungsmaschine Wasser eingespritzt wird.

   10, Vorrichtung zur Durchführung des'Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h je einen einem Nutzgasverdichter (2) und einem Heizgasverdichter (1) nachgeordneten, ausgangsseitig mit dem Verbraucher und einer Entspannungsmaschine (3) verbundenen Regenerator (12, 15).

   11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Nutzgasverdichter (2) mit dem Heizraum und dem Verbrennungsraum und der Heizgasverdichter (1) mit dem Verbrennungsraum eines Rekuperators (20) verbunden sind, dessen Heizraum mit dem Verbraucher und dessen Verbrennungsraum mit einer Entspannungsmaschine (3) verbunden ist.

   12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Nutzgasverdichter (2) mit der Heizzone und der Verbrennungqzone und der Heizgasverdichter (1) ait der Verbrennungszone eines Regenerators (20) mit bewegter fester Speichermasse (21) verbunden sind, dessen Heizzone mit dem Verbraucher und dessen Verbrennungszone mit einer Entspannungsmaschine (3) verbunden ist.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Heizzone des Regenerators (20) mit einer Rückleitung (24) zwischen Regeneratorfuß und -kopf verbunden ist.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t S daß der Abgasstutzen (18) der Entspannungsmaschine und der Druckstutzen (7) des Nutzgasverdichters (2) mit den beiden Räumen eines Rekuperators (8) verbunden sind.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß einer Entspannungsturbine (3) eine Nutzgasturbine (2) und eine Heizgasturbine (1) vorgeschaltet sind, Leerseite