DE19529678A1 - Röhrenofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen befeuerten Röhrenofen zum Erhitzen von reduzierenden Gasen auf Temperaturen im Bereich von oder über 800°C, bei dem die Gase durch Rohre durch eine Konvektionszone zum Vorerhitzen und durch eine Strahlungszone zum Weitererhitzen geführt werden. Solche Öfen werden insbesondere für die Erhit­ zung von Gasen in Stahlwerksprozessen benötigt, wo das CO als Reduktionsgas bei der Eisenerzaufbereitung verwendet werden muß. Ein solcher Ofen ist z. B. in der ve­ nezuelanischen Stadt Matanzas von der FIOR de Venezuela seit 1976 in Betrieb und erhitzt dort Gas für die Eisenerzreduktion (FIOR=Fluidized bed Iron Ore Reduction). Die Gesamtrohrlänge in einem solchen Ofen liegt in der Größenordnung von 250 m.

Die bisherigen Öfen wurden aufgrund des hohen Temperaturniveaus und Druckes mit Chromnickelstahl-Rohrsystemen (hoch legiert) ausgerüstet. Hoch legierte Stähle wer­ den jedoch nach einer bestimmten Betriebszeit durch den sog. "Metal Dusting"-Effekt so geschädigt, daß die Materialien nach inakzeptabel kurzer Zeit (1 bis 2 Jahre) aus­ gewechselt werden müssen. Es wird vermutet, daß wegen des hohen CO-Gehaltes oder wegen des ungünstigen Verhältnisses von CO₂ zu CO in bestimmten Tempera­ turbereichen (zwischen ca. 600 und 750°C) Kohlenstoff in das Gefüge des hoch-legier­ ten Stahles sich einbaut und die strömenden Gase das so umgewandelte Gefüge dann abtragen. Das Auswechseln der zerstörten Rohre bedeutet längeren Betriebsstillstand, damit Produktionsverluste und hohe Reparaturkosten.

Bei "niedrig"-legierten Stählen tritt der Metal Dusting-Effekt nicht auf, diese Stähle sind aber nur bis maximal 600°C erhitzbar und halten die geforderten hohen Temperaturen nicht aus.

Zur Vermeidung von Korrosion in gasführenden Rohren ist es an sich bekannt, die Rohre innen korrosionshemmend zu beschichten. Ein bekanntes Verfahren ist das sog. Alonisieren. Dabei werden die Rohre in Behandlungsöfen innen mit einer Schutzschicht versehen. Aufgrund der beschränkten Länge der Behandlungsöfen kann das Verfahren nur bei relativ kurzen Rohren angewandt werden. Will man diese Fertigungsbeschrän­ kung umgehen und versucht man, mehrere kürzere alonisierte Rohre miteinander zu verschweißen, so wird die innere Schutzschicht beim Schweißen im Nahtbereich zer­ stört. Damit ist im Bereich der Schweißnaht das Rohrsystem wiederum durch den Metal Dusting-Effekt gefährdet. In Prozeßöfen mit mehreren hundert Metern Rohrlänge wer­ den solche Rohre deshalb derzeit nicht eingesetzt. Man hat sich bisher damit abgefun­ den, Rohre in solchen Öfen nach 1 bis 2 Jahren auszutauschen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Prozeßofen dahingehend zu verbessern, daß seine Betriebsdauer wesentlich erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Ofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Kern der Erfindung ist, daß die Rohre im Ofen so dimensioniert werden, daß nur ein kleiner Teil der Rohre im Temperaturbereich zwischen 600 und 750°C liegt (Temperatur meint hier die Rohrinnenwandtemperatur oder Filmtemperatur) und daß die in diesem Temperaturbereich liegenden Rohre innen korrosionsgeschützt sind. Die Heizflächen der Rohrsysteme, die in dem kritischen Temperaturbereich zwischen 600 und 750°C betrieben werden, sind durch verfahrenstechnische Maßnahmen so klein wie nötig gehalten. Deren Innenfläche wird dann durch eine bewährte Schutzbehand­ lung, wie z. B. das Alonisieren, so geschützt, daß keine Erosion am Rohrwerkstoff mehr auftritt. Der Wärmeeintrag, der bei herkömmlichen Öfen relativ gleichmäßig über die gesamte Rohrlänge erfolgt, wird also erfindungsgemäß so geändert, daß das Tempera­ turgebiet zwischen 600 und 750°C im Normalbetrieb extrem schnell durchfahren wird, d. h. nur relativ kurze und damit auch antikorrosionsbeschichtbare Rohrbereiche liegen in dem entsprechenden Temperaturbereich.

So kann z. B. das Eintrittsrohrsystem im Konvektionsbereich des Ofens verfahrens­ technisch so ausgelegt sein, daß möglichst viel Heizfläche in einem Rohrwandtempera­ turbereich von <590°C betrieben wird. Dadurch ist es möglich, "niedrig"-legierte Rohr­ werkstoffe anstelle von "hoch"-legierten Werkstoffen zu verwenden. Diese Werkstoffe sind durch den Metal Dusting-Effekt nicht gefährdet.

Die Rohrauslegung in der Strahlungszone erfolgt vorteilhaft so, daß das von der Kon­ vektionszone eintretende Rohrstück innen korrosionsgeschützt ist und durch eine sehr heiße Zone des Strahlungsteils eingeführt wird, in dem die Gas-Temperatur sehr rasch von ca. 590° auf über 750° steigt. Die Rohrsysteme, die dann das heißere Gas führen und das Gas bis zur gewünschten Endtemperatur um oder über 800°C beinhalten, sind bevorzugt aus hoch-legierten Stählen hergestellt.

Das schnelle Durchfahren des kritischen Temperaturbereichs kann dadurch erfolgen, daß die entsprechenden Zonen entsprechend hoch beheizt sind (Eintritt des Rohres in der heißesten Zone des Strahlungsfeldes, Extrabefeuerung) oder dadurch, daß die Rohrdimensionierung einen sehr hohen Wärmeeintrag in genau diesem Bereich vor­ sieht. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß entgegen der bisher üblichen Bauweise Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden. So kann z. B. vorgese­ hen sein, daß die Rohrnennweite im Eintrittsbereich der Strahlungszone relativ groß gewählt ist. Dadurch ist die Gasgeschwindigkeit im Rohr klein und das Gas kann relativ schnell stark erhitzt werden. Die Rohrdurchmesser in den darauffolgenden Verteilern und Heizschlangen werden dann z. B. sukzessive kleiner gewählt, wodurch die Gasge­ schwindigkeit und die Verweilzeit in den entsprechenden Rohrstücken immer kleiner wird.

Als Innenbeschichtung zur Verhinderung der Korrosion ist z. B. das an sich bekannte Alonisieren vorteilhaft.

Um die Fertigungsbeschränkung bei alonisierten Rohren (derzeitige maximale Rohr­ länge ca. 13 m) umgehen zu können, legt man erfindungsgemäß die Rohre in genau den Bereich, der im Betrieb die kritischen Temperaturen hat, so, daß keine Schweiß­ nähte im Ofenbereich liegen. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß die letzte Schlange im Konvektionsbereich aus zwei alonisierten Rohren gebildet ist, wobei die Zusammen­ schweißung der Rohre und ihre Weiterführung (Übergang) außerhalb des Ofenraumes vorgesehen ist. Auch der Eintrittsbereich in die Strahlungszone liegt auf kritischem Temperaturniveau. Hier kann ein Rohrstück verwendet werden, das einen Rohrbogen oder einen Verteiler oder Sammleranschluß enthält, der vorher angeschweißt wurde. Das so gebildete Rohrelement wird dann vor dem Einbau alonisiert. Damit sind auch dessen Schweißstellen gegen Korrosion geschützt.

Die Erfindung wird anhand zweier Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ofens. Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf in einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ofen zur Erhitzung von Prozeß­ gasen. Der Ofen enthält in seinem unteren Bereich mehrere Brenner B, hier z. B. für Erdgas. Die Flammen brennen von unten nach oben in der Strahlungszone S. Dort sind die gasführenden Rohre in Schlangen angeordnet. Oberhalb der Strahlungszone S ge­ hen die Rauchgase durch die Konvektionszone K, in der ebenfalls Rohre für das Gas angeordnet sind, zum Abzug A. Der Gaseintritt für das zu erhitzende Gas (Gas ein) liegt im oberen Bereich der Konvektionszone K, die Gase werden in den entsprechen­ den Rohrschlagen (gezeichnet sind die oberste und die unterste, dazwischen nur an­ gedeutet) geführt und beim Durchgang durch den Ofen vorerhitzt. Im unteren Bereich der Konvektionszone K liegt eine letzte Heizschlange, in der bereits Temperaturen im gefährdeten Bereich über 600°C auftreten können. Diese ist dann erfindungsgemäß innen korrosionsgeschützt (gepunktet gezeichnet). Das Gas wird dann außerhalb der Konvektionszone K gesammelt, durch einen Übergang Ü geführt, und in die Strah­ lungszone S eingeführt. Dort durchläuft es wiederum mehrere Schlangen und wird schließlich als Produktgas im oberen Bereich der Strahlungszone abgeführt (Gas aus).

In diesem Ausführungsbeispiel wurden die Heizschlangen in der Konvektionszone K aus niedrig legiertem Stahl hergestellt und haben einen relativ großen Rohrdurchmes­ ser (z. B. 170 mm statt 140 mm). Die letzte Rohrschlange der Konvektionszone K be­ steht hier aus ca. 13 m langen innen korrosionsgeschützten Rohren, die außerhalb des Ofens mit Bögen verschweißt sind. In dieser Ausführung ist auch die Zahl der Rohre in der Konvektionszone gegenüber dem konventionellen Design erhöht.

Am Anfang der Strahlungszone S sind die Rohre in dieser Ausführung mit besonders großem Durchmesser ausgelegt (in der schematischen Figur nicht gezeigt). Das An­ fangsrohrstück ist - da es im gefährdeten Temperaturbereich liegt - innen korrosionsge­ schützt (gepunktet gezeichnet). Durch den großen Durchmesser ist die Gasgeschwin­ digkeit relativ langsam, so daß das Gas in diesem Abschnitt relativ lange verweilt und viel Wärme aufnehmen kann, so daß es bereits innerhalb einiger Meter von ca. 600°C auf über 750°C erhitzt ist und damit das kritische Gebiet verläßt. Die darauffolgenden hoch-legierten Rohre brauchen dann keine Innenkorrosionsbeschichtung mehr, da ja der kritische Temperaturbereich verlassen ist. Sie werden in diesem Ausführungsbei­ spiel mit kleineren Durchmessern ausgelegt, insbesondere kann der Durchmesser in mehreren Stufen verringert sein. Die beispielhafte verfahrenstechnische Maßnahme besteht also hier aus der Wahl abgestufter Rohrdurchmesser in Abstimmung mit der zulässigen Heizflächenbelastung und der erlaubten Druckabfälle auf der Prozeßgassei­ te. Hatten bisher die Rohre im Strahlungsbereich S einen relativ kleinen Durchmesser (128 mm), der kleiner war als in der Konvektionszone K (141 mm) so ist in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Sprung von 168 mm (Rohrdurchmesser in der Konvektionszone K) auf 190 mm vorgesehen (Anfang der Strahlungszone S, um viel Hitze aufzunehmen). Der Durchmesser der danach folgenden Rohrschlangen sinkt dann in Stufen auf 165, 127, 114 und 109 mm. Die Rohrschlange am Ende der Strah­ lungszone S ist also dünner als im Stand der Technik, dessen Rohre im gesamten Strahlungsbereich 128 mm Durchmesser haben (in der schematischen Figur nicht gezeigt).

Wie man in Fig. 1 sieht, sind die innen korrosionsgeschützten Rohrabschnitte (gepunktet) relativ kurz, so daß sie in den bisher gebräuchlichen Herstellungsanlagen (bis ca. 13 m) beschichtbar sind. Verbindungsstellen zu ungeschützten Rohrabschnit­ ten liegen stets außerhalb des (heißen) Ofenbereichs oder dort, wo die Rohrinnen­ wandtemperatur schon über ca. 700°C liegt.

Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf in einem konventionellen Ofen (gestrichelt) über die Rohrlänge im Vergleich mit dem Temperaturverlauf in einem erfindungsgemäß ausgerüsteten Ofen (durchgezogene Linie). Eingezeichnet ist weiterhin der kritische Bereich, in dem Metal Dusting vorkommen kann. Dieser liegt zwischen 600 und 750°C. Während beim konventionellen Ofendesign der Bereich relativ langsam durchfahren wird, hier zwischen den Rohrlängen 170 m und 200 m, wird erfindungsgemäß das kriti­ sche Gebiet einmal am Ende der Konvektionszone K kurz erreicht, dann wieder verlas­ sen - dies ist der Bereich des Übergangs Ü (Cross-over) - wo das Rohr von der Kon­ vektionszone K zur Strahlungszone S außerhalb des Ofenbereichs geführt wird. Am Anfang der Strahlungszone S steigt dann die Rohrtemperatur fast schlagartig von den gezeigten ca. 500° auf 750°. Das kritische Gebiet wird damit sehr schnell durchfahren, was nichts anderes heißt, als daß nur relativ geringe Rohrlängen in dem kritischen Temperaturbereich liegen.

Claims (8)

1. Befeuerter Röhrenofen zum Erhitzen von reduzierenden Gasen auf Temperaturen im Bereich von oder über 800°C, bei dem die Gase in Rohren durch eine Konvek­ tionszone (K) zum Vorerhitzen und durch eine Strahlungszone (S) zum Weiterer­ hitzen geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre so dimensioniert sind, daß nur ein kleiner Teil der Rohre im Betrieb im Temperaturbereich zwischen 600°C und 750°C liegt, und daß die in diesem Temperaturbereich liegenden Rohre innen korrosionsgeschützt sind.

2. Röhrenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in der Kon­ vektionszone (K) eine relativ große Heizfläche haben.

3. Röhrenofen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in der Konvektionszone (K) im Bereich unter 590°C aus niedrig-legierten Werkstoffen und im Bereich über 590°C aus innen korrosionsgeschütztem Material bestehen.

4. Röhrenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre am Beginn der Strahlungszone (S) aus korrosionsgeschütztem Material bestehen und im weiteren Bereich der Strahlungszone (S) aus hoch­ legiertem Material ohne Innenkorrosionsschutz bestehen.

5. Röhrenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in der Strahlungszone (S) einen in Stufen kleiner werdenden Durchmesser haben.

6. Röhrenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre im Anfangsbereich der Strahlungszone (S) einen größeren Durch­ messer als in der Konvektionszone (K) haben.

7. Röhrenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre, die innen korrosionsgeschützt sind, alonisiert wurden.

8. Röhrenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre im Temperaturbereich zwischen 600 und 750°C keine im Befeue­ rungsbereich liegenden nachträglichen Schweißnähte haben.