DE19720620A1

DE19720620A1 - Verfahren und Einrichtung zur Nutzung des Energieinhalts des aus einer Wärmebehandlung abfließenden Behandlungsgases

Info

Publication number: DE19720620A1
Application number: DE19720620A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Strigl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 1998-08-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung des Energieinhalts des bei einer Wär mebehandlung aus der zugehörigen Ofenanlage abfließenden Behandlungsgases (des Ofenabgases).

Auf dem Gebiet der Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe sind Behandlungs gase, deren Hauptbestandteile Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff sind, sehr häufig. In einer Variante werden die CO- und H₂-haltigen Schutz- oder Reaktionsgase aus Luft und einem Kohlenwasserstoffgas (KW-Gas), vorzugsweise Erdgas oder Propan, gebildet. Eine typische Bildungsreaktion, die eine unvollständige Verbrennung des KW-Gases darstellt, lautet wie folgt:

(O₂ + 4 N₂) + 2 CH₄ → 2 CO + 4 H₂ + 4 N₂ = Luft.

Diese Reaktion wird üblicherweise mit einem neben dem oder den Wärmebehand lungsöfen angeordneten, im Kernstück aus einem Katalysator bestehenden Gasge nerator bewerkstelligt.

Außerdem ist es auch bekannt, CO- und H₂-haltige Schutz- oder Reaktionsgase für Wärmebehandlungen aus Alkoholen oder aus Kohlendioxid und wiederum einem Kohlenwasserstoffgas (KW-Gas) zu bilden. Die typischen Bildungsreaktionen für diese Schutzgasbereitstellungen sind

2 CH₃OH → 2 CO + 4 H₂

und

2 CO₂ + 2 CH₄ → 4 CO + 4 H₂.

Die auf die beschriebenen Weisen herstellbaren Behandlungsgase haben gemeinsam, daß sie - auch nach dem sie einen Wärmebehandlungsofen durchlaufen haben - zu einem hohen Anteil aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehen, sie bestehen also zu einem hohen Anteil aus energiereichen, reaktionsfreudigen Bestandteilen, die so nicht an die Umgebung abgegeben werden können. Üblicherweise werden die, diese Stoffe enthaltenden Abgase daher - nach Verlassen der Wärmebehandlung - abge fackelt und somit in einen ungefährlichen Zustand übergeführt. Der Energieinhalt geht jedoch bei dieser Arbeitsweise verloren. Ein anderer, bekannter Vorschlag zur Nutzung besagter Ofenabgase besteht darin, diese zu sammeln, abzukühlen und verdichtet zwischenzuspeichern und das Speichergas für unterschiedliche Zwecke weiterzu verwenden. Als mögliche Verwendungszwecke werden die Anwendung als Brenngas für Flammenvorhänge und dergleichen, als Ausgangsstoff für neues Schutzgas und als Verdüsungsgas für alkoholische Atmosphärenbildner und Kohlenstoffträger gesehen (DE-PS 35 34 104).

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, die beschrie bene Situation beim Betrieb von Wärmebehandlungsanlagen zu verbessern und vor allem hinsichtlich der Energiebilanz Vorteile zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein großer Teil des aus einer Ofenanlage austretenden Behandlungsgases aufgefangen und dessen Energieinhalt unmittelbar mittels Verbrennung zum Heizen der Ofenanlage selbst benutzt wird.

Diesem Vorschlag liegt zum einen die Erkenntnis zugrunde, daß das angesprochene Ofenabgas ein durchaus hochwertiges Brenngas darstellt, und zum anderen der Umstand, daß es mit verschiedenen Methoden gelingt, das heiße Ofenabgas direkt in üblichen oder speziellen Heizeinrichtungen im selben Ofen nutzbar zu machen.

Eine vorteilhafte Verfahrensvariante besteht darin, daß Ofenabgas zumindest an einer wesentlichen Ausflußstelle aus dem Ofen abgezapft wird und mit einem Gebläse - gegebenenfalls unter Zumischung eines weiteren Brennstoffs - einem oder mehreren, üblichen Heiz-Strahlrohren des Ofens zugeführt wird.

Eine andere Verfahrensvariante besteht darin, daß das Ofenabgas aufgefangen und ohne Gebläseeinsatz einem oder mehreren Verbrennungsrohren zugeführt wird, wobei die sogenannten Verbrennungsrohre im wesentlichen rohrartig aufgebaut sind und diesen Rohren das sauerstoffhaltige Gas für die Verbrennung so zugeführt wird, daß es das Ofenabgas ansaugt (Saugwirkung ausübt).

Eine weitere Verfahrensmöglichkeit besteht darin, daß in der oder den sich an die Behandlungskammer anschließenden Vorkammern des Ofens durch Spülen mit Inertgas ein Überdruck aufgebaut wird, dadurch das in der Behandlungskammer entstehende Ofenabgas in dieser gehalten wird und von dort aus speziell über ein oder mehrere Verbrennungsrohre abfließt, wobei den Verbrennungsrohren das sauer stoffhaltige Gas für die Verbrennung wiederum so zugeführt wird, daß es das Ofen abgas ansaugt.

Ein Wärmebehandlungsofen gemäß der Erfindung mit Heizeinrichtung(en) und mit ei ner Schutzgasversorgung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein wesentlicher Abgasausgang des Ofens mit dem Brenngaseingang der Heizeinrichtung bzw. den Heizeinrichtungen verbunden ist.

Eine Heizeinrichtung gemäß der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeich net, daß sie durch ein im Querschnitt sich erweiterndes Rohr gebildet ist, welches die Brenngaszufuhr auf der Seite des engen Querschnitts besitzt und welches auf seiner Zentralachse eine auf den engeren Querschnitt gerichtete Gaszuleitungslanze mit Strömungsumkehr an seiner Spitze aufweist.

Die Bilder 2 bis 4 zeigen spezielle Ausgestaltungsvarianten der Erfindung, während Bild 1 den Stand der Technik zeigt.

Es zeigt:

Bild 2 Abgasnutzung in üblichen Heiz-Strahlrohren;

Bild 3 Abgasnutzung im speziellen Verbrennungsrohr;

Bild 4 Abgasnutzung im Verbrennungsrohr und mit Überdruckeinstellung in der Vorkammer.

Anhand der Figuren wird die Erfindung im folgenden beispielhaft näher beschrieben.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen einen Kammerofen mit Behandlungskammer B und Vorkammer V, die durch einen Schieber T abtrennbar sind (gleiche Teile in den Fig. 1 bis 4 werden mit den gleichen Symbolen bezeichnet). In der Behand lungskammer B ist im Deckenbereich ein Ventilator V und, benachbart dazu, ein Gaseinlaß E plaziert. Wiederum in Durchbrüchen D an der Decke der Behand lungskammer B sind auch Heizeinrichtungen S zur Beheizung der Behandlungs kammer B montiert. Häufig - wie in Fig. 2 gezeigt - handelt es sich bei den Heiz einrichtungen in Wärmebehandlungsöfen um sogenannte Strahlrohre, also, verein facht beschrieben, um längliche, rohrartige, kopfseitig verschlossene Gebilde, in denen ein Brenner installiert ist. Üblicherweise werden diese Heizstrahlrohre S mit Erdgas und Luft betrieben, d. h. in ihnen wird Erdgas mit Luft verbrannt und somit die Umgebung und speziell die Behandlungskammer von Wärmebehandlungsein richtungen beheizt. In der Behandlungskammer B des in den Figuren gezeigten Kammerofens ist ferner auch ein Chargenkorb C gezeigt, in dem sich die zu behandelten Werkstücke befinden. Unterhalb der Vorkammer V des gezeigten Ofens, die mit einer Beschickungstür BT abschließbar ist, ist außerdem ein Ab schreckbad AB. Im Deckenbereich der Vorkammer V ist schließlich ein weiterer Gaseinlaß E2 sowie ein Gasauslaß GA vorhanden. Häufig ist der Gasauslaß GA bei Wärmebehandlungsöfen der gezeigten oder auch anderer Art mit einer Abfackelung AF kombiniert, mit der aus der Ofenanlage austretendes Behandlungsgas verbrannt wird. Insbesondere letzteres stellt die bislang übliche Verfahrensweise dar, mit der das über dem Gaseinlaß E üblicherweise permanent zugeführte Behandlungsgas, das nach einer gewissen Aufenthaltsdauer in der Behandlungskammer B in die Vorkammer V übertritt, entsorgt wird (siehe Fig. 1).

Die vorliegende Erfindung geht hier jedoch einen anderen Weg, der mit den Maßnahmen und Einrichtungen, wie sie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt sind, ermöglicht wird.

In Fig. 2 ist z. B. mit dem Gasauslaß GA an der Vorkammer eine Rohrleitung 1 verbunden, die andererseits an die Heizstrahlrohre S angeschlossen ist. In der Rohrleitung 1 sind außerdem ein Gebläse 2 sowie diverse Gasschalt- und Regel elemente 3, 4 und 5 angeordnet. In die zwei, in der Fig. 2 gezeigten Strahlrohre S münden außerdem Luftzuführungsleitungen 7 und 8, die zur Versorgung der Ver brennung in den Strahlrohren dienen.

Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr folgender Ablauf:
Über die Gaseinleitung E wird der Ofen O mit beispielsweise 11 bis 12 cbm/h Behandlungsgas versorgt. Als Behandlungsgas kommt z. B. ein mit einem Gas generartor erzeugtes, aus 20% Kohlenmonoxid, 40% Wasserstoff und 40% Stickstoff bestehendes, sogenanntes Endogas oder ein aus 60% Methanol und 40% Stickstoff erzeugtes Gas zum Einsatz. Auf dieser Basis können dann etwa 10 cbm/h Abgas am Gasauslaß GA abgezogen werden. Dieses nach wie vor im wesentlichen aus CO, H₂ und N₂ bestehende Gas besitzt einen Heizwert von 6.244 kJ/cbm - zum Vergleich: Erdgas besitzt 36.000 kJ/cbm - kann also 1,73 cbm Erdgas pro Stunde ersetzen. Das abgesaugte Behandlungsgas wird im folgenden unter Druckerhöhung durch das Gebläse 2 den Strahlrohren S zugeführt und in diesen mit Luft verbrannt. In dieser Weise ist insbesondere ein Ofenbetrieb möglich, bei dem in der Behandlungskammer lediglich mit relativ niedrigen Temperaturen gearbeitet wird, wie dies etwa bei einigen Glüh- und Anlaßprozessen der Fall ist (Temperaturen von 400 bis 600° in der Behandlungskammer sind hier ange sprochen). Zur Bewerkstelligung höherer Temperaturen kann dem so verwandten Behandlungsgas ein weiterer Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugemischt werden. Dies ist über die, in der Figur gestrichelt eingezeichneten Zuleitungen 9 und 10 möglich. Auf diese Weise ist dann weitgehend jede gewünschte Heizleistung für die gezeigte Ofenanlage herstellbar, wobei sich im Brenngasgemisch dann unter Umständen lediglich noch 10% des aufgefangenen Behandlungsgases befinden können.

In einer anderen Variante der Erfindung - siehe Fig. 3 - ist anstelle von Strahlrohren ein neuartiges Verbrennungsrohr 30 vorgesehen. Das Verbrennungsrohr 30 ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein in seinem Querschnitt sich erweiterndes Rohr 31 aufweist, welches die Behandlungs- bzw. Brenngaszufuhr auf der Seite des engen Querschnitts besitzt und welches auf seiner Zentralachse eine auf den engeren Querschnitt zulaufende Luftzuführungslanze 32 mit Strömungsumkehr 33 an ihrer Spitze aufweist.

Diese Verbrennungseinrichtung 30 ist über eine Rohrleitung 1 mit dem Gasauslaß GA an der Vorkammer verbunden, wobei in dieser Verbindungsleitung 1 im Gegensatz zur oben beschriebenen Variante kein Gebläse angeordnet ist, da der Transport des Behandlungsgases durch die Art der Gas Injektion im Verbrennungsrohr selbst - injiziertes Gas erzeugt eine Saugwirkung - erreicht wird. Im übrigen sind die Verhältnisse und Abläufe mit denen im obigen Beispiel vergleichbar, denn es erfolgt die Entnahme des Behandlungsgases wiederum an der Vorkammerdecke und dessen Verbrennung wird wiederum in der Behandlungskammer mit einer, mit einem Strahlrohr vergleichbaren Effizienz durchgeführt. Auch in der Ausgestaltungsvariante gemäß Fig. 3 ist die Zumischung weiteren Heizgases möglich, und diese kann bei spielsweise durch Anordnung eines Gasinjektors GI - siehe Fig. 3 - in der Verbin dungsleitung 1 realisiert werden, wodurch zusätzlich eine Steigerung der Ansaug leistung erreicht werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung wiederum mit einem Verbrennungsrohr 30 ist in Fig. 4 ersichtlich. In diesem Falle ist das Verbrennungsrohr 30 wieder - wie in Fig. 3 - vergleichbar einem Strahlrohr installiert, es ist jedoch an der Seite der Brenngaszufuhr, also auf der Seite des engeren Querschnitts, offen, d. h. ohne den Anschluß eines Versorgungsrohrs, gestaltet. Vielmehr wird in der gezeigten Variante Behandlungsgas aus dem Bodenbereich der Behandlungskammer B direkt durch das offene Ende des Verbrennungsrohres angesaugt und unmittelbar nach dem Zutritt der Verbrennungsluft aus der Lanze 32 verbrannt und somit die gewünschte Heizwirkung erzielt. Durch diese Verfahrensvariante werden jedoch die Strömungsverhältnisse im gezeigten Kammerofen O verändert, insbesondere quasi umgekehrt. Das über den Gaseinlaß E zugeführte Behandlungsgas tritt nicht mehr in die Vorkammer V über, sondern wird bereits in der Behandlungskammer wieder abgesaugt. Durch diese Absaugung entstehen Verhältnisse, bei denen Gas nicht mehr in die Vorkammer austritt, sondern bei dem Gas aus der Vorkammer in die Behandlungskammer einfließt. Damit einher geht die Gefahr, daß Sauerstoff aus der Umgebung in den Ofen und schließlich in die Behandlungskammer eindringt. Diese Gefahr wird dadurch beseitigt, daß über den in der Decke der Vorkammer angeordneten Gaseinlaß E2 Stickstoff in geeigneter Menge zugeführt wird (bei den beschriebenen Verhältnissen ca. 3 cbm/h). Diese Erfindungsvariante zeichnet sich durch den besonders niedrigen Aufwand in der Realisierung aus, wobei fehlende Heizleistung gegebenenfalls durch ein konventionelles Strahlrohr ergänzt werden kann. Als Behandlungsgas wird hier, auch wegen der durch den N₂-Zufluß erfolgenden Verdünnung, stickstoffarmes Be handlungsgas aus ca. 90% Methanol-Spaltgas vorgesehen (Hµ = 11435 kJ/cbm.)

Abschließend ist festzuhalten, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Varianten beschränkt ist. Sie kann auch in anderen Ofenanlagen analog ausgeführt werden und sie kann auch mit anderen Behandlungsgasen als Endogas und Methanol-Spaltgas unter Umständen noch gewinnbringender zur Anwendung kommen. Beispielsweise weist das für Aufkohlung besonders vorteilhafte, 50% Wasserstoff und 50% Kohlenmonoxid enthaltende Kohlungsgas einen Heizwert von 12.686 kJ/cbm auf und ist somit für die hier beschriebene Vorgehensweise, also für die Anwendung des abfließenden Behandlungsgases als Brenngas, besonders vorteilhaft.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung des Energieinhalts des bei einer Wärmebehandlung aus der zugehörigen Ofenanlage abfließenden Behandlungsgases (Ofenabgas) dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des austretenden Behandlungs gases aufgefangen und dessen Energieinhalt unmittelbar mittels Verbrennung zum Heizen der Ofenanlage selbst benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofenabgas einer oder mehreren Heizeinrichtungen im Wärmebehandlungsofen zugeführt wird und dort - gegebenenfalls unter Zumischung eines weiteren Heizstoffs - als Brennstoff angewandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofenabgas mit einem Gebläse auf geeigneten Druck gebracht und einem oder mehreren, in der Wärmebehandlung üblichen Heiz-Strahlrohren des selben oder eines benachbarten Ofens zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofenabgas aufgefangen und ohne Gebläseeinsatz einem oder mehreren Verbrennungsrohren zugeleitet wird, wobei den Verbrennungsrohren das sauerstoffhaltige Gas - vorzugsweise Luft - für die Verbrennung so zugeführt wird, daß es das Ofenabgas ansaugt (Saugwirkung ausübt).

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der oder den der Behandlungskammer nebengeordneten Vorkammern durch Spülen mit Inertgas ein Überdruck aufgebaut wird, dadurch das in der Behandlungskammer entstehende Ofenabgas in dieser gehalten wird und von dort über ein oder mehrere Verbrennungsrohre abfließt, wobei den Verbrennungsrohren das sauerstoffhaltige Gas für die Verbrennung so zugeführt wird, daß es das Ofenabgas ansaugt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ofenabgas vor seiner Verbrennung ein weiteres brennbares Gas zugemischt wird.

7. Wärmebehandlungsanlage mit einer Behandlungskammer (B) mit Heizeinrich tung(en) und mit einer Behandlungsgasversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein wesentlicher Abgasausgang (GA) der Anlage mit dem Brenn gaseingang der Heizeinrichtung(en) (S bzw. 30) verbunden ist.

8. Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein im Querschnitt sich erweiterndes Rohr (31) gebildet ist, welches die Brenngaszufuhr auf der Seite des engen Querschnitts besitzt und welches auf seiner Zentralachse eine auf den enge ren Querschnitt gerichtete Gaszuleitungslanze (32) mit Strömungsumkehr (33) an seiner Spitze aufweist.

9. Wärmebehandlungsanlage mit einer Behandlungskammer (B) mit Heizeinrich tung(en) und mit einer Behandlungsgasversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung gebildet ist durch ein im Querschnitt sich erweiterndes Rohr (31), welches die Brenngaszufuhr auf der Seite des engen Querschnitts besitzt und welches auf seiner Zentralachse eine auf den engeren Querschnitt gerichtete Gas zuleitungslanze (32) mit Strömungsumkehr (33) an seiner Spitze aufweist, wobei die Brenngaszufuhr der Heizeinrichtung zur Behandlungskammer hin offen ist.