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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieb einer Kupolofenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und eine entsprechende Kupolofenanlage nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 7.
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Bei Kupolofenanlagen der herkömmlichen Art
ist es bekannt, die aus dem Kupolofen stammenden Gichtgase zu verbrennen,
um mit Hilfe der gewonnenen Energie in einem Wärmetauscher den in den Kupolofen
einzublasenden Wind vorzuwärmen. Hierbei
werden die Gichtgase vor der Einblasung in den Brenner in einem
Zyklon nur grob vorgereinigt, d.h. von größeren Staubpartikeln befreit.
Dies hat zur Folge, daß die
Gichtgase aus dem Kupolofen staubbeladen durch die gesamte Anlage
getragen werden. Somit gelangen die Stäube auch durch den Brenner in
den Rauchgaskreislauf und daher in die Wärmetauscher zum Vorwärmen des
Windes.
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Da jedoch Stäube ab ca. 780°C bis 800°C teigig
sind, bedeutet dies, daß die
Eintrittstemperatur in den Windwärmetauscher
auf ca. 750°C
Beschränkt
ist. Sonst treten unerwünschte
Staubanbackungen auf. Die mit einem gichtgasbetriebenen Wärmetauscher
erreichbare Windtemperatur ist daher auf ca. 600° bis 700°C begrenzt.
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Aus der
DE 39 36 384 A1 , die den
Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 7 zugrundeliegt, ist es bekannt, die Erwärmung des Windes für den Kupolofen
in zwei Stufen vorzunehmen, indem dem Wind nach der ersten Erwärmung in
einem Rekuperator die zur Erreichung der gewünschten Temperatur noch fehlende
Wärmemenge
durch Fremderwärmung,
beispielsweise mittels eines Gasbrenners und/oder Ölbrenners,
zugeführt
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Kupolofenanlage bereitzustellen, die eine höhere Vorwärmtemperatur des Windes für den Kupolofen
auf besonders wirtschaftliche Weise ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird in ihrem verfahrensmäßigen Aspekt
durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
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Die Winderhitzung einer üblichen
Kupolofenanlage wird also durch Hinzufügen einer zusätzlichen Aufheizung
des für
den Kupolofen bestimmten Windes auf mindestens 750°C gesteigert
oder sogar auf mindestens 800°C
(Anspruch 2). Der Kupolofen erreicht so eine bessere Leistung und
einen höheren Wirkungsgrad,
was der Wirtschaftlichkeit der Kupolofenanlage zugute kommt.
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Die zusätzliche Aufheizung erfolgt
mittels eines zusätzlichen
Brenners, d.h. mittels eines direkt befeuerten Winderhitzers. Dieser
ist dem ersten Wärmetauscher
nachgeschaltet und dient als Endstufe der Winderhitzung. Da es sich
um einen Erhitzer handelt, der sowohl auf der Brenngasseite als
auch auf der Luftseite praktisch staubfrei betrieben wird, treten keine
Probleme der Staubanbackung auf. Somit kann der Wind auf die genannten
Temperaturen von ca. 750°C
oder höher
vorgewärmt
werden. Außerdem
hat der Einsatz eines solchen Brenners den großen Vorteil, daß er relativ
leicht in bestehende Kupolofenanlagen integriert werden kann und
daher eine Nachrüstung
auf wirtschaftliche Weise ermöglicht.
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Die Rauchgase aus diesem Brenner
werden zur Wirkungsgradverbesserung in die Brennkammer des ersten
gichtgasverbrennenden Brenners eingedüst, was eine weitere Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit der Kupolofenanlage bedeutet.
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Das Rauchgas aus dem Kupolofen kann nach
einer nur groben Vorreinigung durch den Zyklon mit feinem Feststaub
durch die Kupolofenanlage hindurchgeführt werden (Anspruch 3).
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In der Variante gemäß Anspruch
4 wird das aus dem Kupolofen stammende Gichtgas jedoch zunächst abgekühlt und
dann filtriert. Durch die Filtration werden auch feine Staubpartikel
entfernt, so daß das
Gichtgas des Kupolofens vom Staub befreit ist und nach Vorwärmung aus
der nach der Kühlung
vorhandenen niedrigen Temperatur in den Brenner eingeblasen werden
kann (Anspruch 5).
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Da die Anlage mit sauberem Rauchgas
gefahren wird, ist es möglich,
zur zusätzlichen
Aufheizung des Windes einen Wärmetauscher
einzusetzen, der den Wind auf eine Temperatur vorwärmt, die oberhalb
der Temperatur der sonst eintretenden Staubanbackung liegt. Die
geschieht zweistufig. In der ersten Stufe wird ein konventioneller
Wärmetauscher
eingesetzt, der den Wind auf ca. 600° bis 700°C vorwärmt. Nachfolgend wird der Wind
in einem speziellen mit dem Rauchgas des Brenners betriebenen Wärmetauscher
zusätzlich
erhitzt und erreicht eine Temperatur von zum Beispiel ca. 750° bis 850°C. Bei diesem
speziellen, der zusätzlichen
Aufheizung dienenden Wärmetauscher
kann es sich um einen Doppelrohrbodenwärmetauscher nach der
DE 44 04 068 C1 handeln.
Dieser erreicht durch eine Siedewasserküh lung des Doppelrohrbodens
im Bereich der kritischen Spaltstellen der Rohre (höchster Temperaturunterschied
= hohe Materialbelastung) eine erhöhte Betriebssicherheit, da
das Material durch die Siedewasserkühlung in einem günstigen Temperaturbereich
verbleibt.
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Besonders interessant ist die Möglichkeit, bestehende
Anlagen zu deren Wirkungsgrad- und Verfahrenstemperatursteigerung
mit einem externen Brenner gemäß Anspruch
6 nachzurüsten.
Somit können
bestehende Anlagen auf technisch einfache Weise und ökonomisch
aufgewertet werden.
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In den Ansprüchen 7 bis 10 ist die apparative Seite
der Erfindung wiedergegeben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 bis 3 schematische Wiedergaben
von drei Ausführungsformen
von Kupolofenanlagen;
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4 einen
Vertikalschnitt durch einen für die
Erfindung geeigneten Wärmetauscher;
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5 eine
vergrößerte Wiedergabe
aus dem Bereich des Doppelbodens mit der zugehörigen Dampfführung des
Wärmetauschers
gemäß 4.
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1 zeigt
eine als Ganzes mit 100 bezeichnete Kupolofenanlage. Das aus dem
Kupolofen 1 kommende Gichtgas wird in einem Zyklon 2 grob
von Staub vorgereinigt, d.h. von größeren Staubpartikeln durch
Zentrifugalkräfte
befreit. Das vorgereinigte Gichtgas wird über die Leitung 21 in
die Brennkammer eines Brenners 3 eingedüst und dort verbrannt, wobei
die Verbrennung durch Hinzugabe eines Befeuerungsmittels B und vorgewärmter Frischluft
aus einem Wärmetauscher 7 unterstützt wird.
Die aus dem Brenner 3 stammenden Rauchgase gelangen über die
Leitung 22 in einen Kühler 4 und
dienen nach einer gewissen Herunterkühlung zum Betreiben der Wärmetauscher 6 und 7 Anschließend gelangt das
Rauchgas durch einen weiteren Kühler 8 und über ein
Gebläse
P und einen Filter 10 in den Schornstein S.
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Der rauchgasbetriebene Wärmetauscher 6 erwärmt von
einem Gebläse
P geförderte
Außenluft zunächst auf
ca. 600° bis
700°C vor.
Dieser Wind wird über
die Leitung 23 in einen Brenner 9 geleitet, wo
er zusätzlich
aufgeheizt (auf ca. 750° bis
850°C) und
schließlich über die
Leitung 24 in den Kupolofen 1 eingeblasen wird.
Die bei der zusätzlichen
Aufheizung in dem Brenner 9 entstehenden Rauchgase werden
aus diesem über
die Leitung 25 in die Brennkammer des Brenners 3 eingeleitet.
Somit wird neben der erhöhten
Temperatur des Windes für
den Kupolofen 1 durch die Rückkopplung der Rauchgase auch
ein höherer
Wirkungsgrad der gesamten Kupolofenanlage 100 erreicht.
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Da der Zyklon 2 das Gichtgas
nur von groben Staubpartikeln befreit, wird die Kupolofenanlage 100 staubbelasen
gefahren. Die Problematik der Staubanbackung spielt jedoch bei der
erhöhten
Temperatur des Brenners 9 keine Rolle, da dieser extern
direkt befeuert wird. Der in ihn eintretende Wind wird aus dem Wärmetauscher 6 gewonnen,
wo er durch das Gebläse
P der Außenluft
entnommen wurde. Somit enthält
der Wind kaum Staub und wird der Brenner 9 nicht durch
staubhaltige Medien in seinem Betrieb gefährdet.
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Soweit bei den weiteren Ausführungsformen funktionell
entsprechende Elemente vorkommen, sind gleiche Bezugszahlen verwendet.
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In der gesamten Anlage werden die
Gase, wo nötig,
durch Pumpen oder Gebläse
P weiterbefördert.
Dies ist zum Beispiel auch noch der Fall vor dem Wärmetauscher 7,
der die Frischluft zur Verbrennung des Befeuerungsmittels B in dem
Brenner 3 vorwärmt.
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Die Kupolofenanlage 300 gemäß 2 wird durch eine Kühlung der
Gichtgase in dem Kühler 11 und
anschließende
Filterung in dem Filter 12 im wesentlichen staubfrei gefahren.
Auch in dieser Anlage wird das Gichtgas vor dem Einbringen in den
Brenner 3 in einem Wärmetauscher 14 vorgewärmt. Bei
dieser Anlage wird der Wind jedoch in der Stufe der zusätzlichen
Aufheizung nicht durch den oben beschriebenen speziellen Wärmetauscher 50 weiter aufgeheizt,
sondern mit einem zusätzlichen
Brenner 9, aus dem der Wind über die Leitung 24 in
den Kupolofen 1 gelangt. Die Rauchgase des Brenners 9 werden
zur Wirkungsgradsteigerung über
die Leitung 25 in den Brenner 3 eingeleitet. Somit
werden sowohl der Vorteil der Energieeinsparung durch die Gichtgasvorwärmung als
auch die Wirkungsgradverbesserung durch die Rauchgasrückkopplung
sowie eine weitere Wirkungsgradverbesserung durch eine höhere Vorwärmtemperatur
(ca. 750° bis
850°C) des
Windes erreicht.
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Das aus dem Brenner 3 stammende
Rauchgas wird vor Durchlaufen des zur Wind-Vorwärmung dienenden Wärmetauscher 6 in
dem mit Luft betriebenen Kühler 20 zunächst abgekühlt, so
daß der Wind
in dem Wärmetauscher 6 nur
auf etwa 600° bis 700°C erwärmt wird.
Dann durchfließt
das Rauchgas den Gichtgasvorwärmer 14 und
den Frischluftvorwärmer 7,
um schließlich
in dem Kühler 13 auf
eine Temperatur gebracht zu werden, die das Ausblasen ins Freie
erlaubt.
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In 3 ist
eine Kupolofenanlage 400 gezeigt, bei das Gichtgas zunächst in
einem Kühler 11 gekühlt und
in einem Filter 12 gereinigt wird, um anschließend in
dem Wärmetauscher 14 wiederaufgewärmt und
dann in dem Brenner 3 verbrannt zu werden. Wie in der Anlage
aus 2 wird der in dem normalen
Wärmetauscher 6 auf
ca. 600° bis
700°C vorgewärmte Wind
in dem nachfolgenden speziellen Wärmetauscher 50 weiter
erhitzt, jedoch anschließend
nicht direkt in den Kupolofen 1 geleitet, sondern über die
Leitung 27 einem zusätzlichen
Brenner 9 zugeführt,
worin er noch stärker
aufgeheizt wird. Somit kann die Temperatur des Windes nochmals gesteigert
werden, bevor er über
die Leitung 29 in den Kupolofen 1 eingeblasen
wird. Somit wird die Leistung des Kupolofens 1 nochmals
gesteigert. Aus dem Brenner 9 werden erfindungsgemäß die dort
entstehenden Rauchgase über
die Leitung 25 zur Wirkungsgradsteigerung in den ersten
Brenner 3 eingeleitet.
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Anlagen dieses Typs erreichen durch
die Vorwärmung
des Gichtgases und die Ausnutzung des Rauchgases zur Vorwärmung des
Windes in Wärmetauschern 6 und 50 auf
ca. 750° bis
850°C und
die nachfolgende Temperatursteigerung in dem Brenner 9 auf
Werte oberhalb 800°C
einen besonders hohen Wirkungsgrad und entsprechende Wirtschaftlichkeit.
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Das in 4 dargesellte
Beispiel des speziellen Wärmetauschers 50 umfaßt ein aufrechtes
zylindrisches Gehäuse 101 aus
Stahlblech, welches auf einem Unterbau 102 angeordnet ist
und in welchem, eine zylindrische, etwa den gleichen Durchmesser
wie das Gehäuse 101 aufweisende,
nach oben offene Rauchgaseinlaßkammer 103 ausgebildet
ist. Das etwa 870° bis
970°C heiße Rauchgas, zum
Beispiel aus dem Brenner 3, tritt an dem Einlaß 104 durch
die Leitung 26 im Sinne des Pfeiles 105 seitlich
in den Unterbau 102 ein und wird in diesem nach oben in
die Rauchgaseinlaßkammer 103 umgeleitet.
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Am unteren Ende des Gehäuses 101 ist
ein senkrecht zu dessen Achse A sich erstreckender Doppelboden 110 ausgebildet,
der aus einem unteren Rohrboden 111 und einem darüber im Abstand von
etwa 30 cm angeordneten Rohrboden 112 besteht. Die untere,
der Rauchgaskammer zugewandte Seite 113 des Rohrbodens 111 ist
mit einer keramischen Verkleidung 114 versehen, die konische Durchlässe 115 aufweist.
In 4 ist nur ein derartiger
Durchlaß angedeutet.
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Das Innere des Gehäuses ist
von einem Rohrbündel 150 ausgefüllt. Das
Rohrbündel 150 umfaßt dicht
beieinanderstehend über
den Querschnitt des Gehäuses 101 verteilte,
zu der Achse A parallele Rohre 130, von denen in 4 nur eines wiedergegeben
und einige weitere durch ihre Mittellinie angedeutet sind. Die Rohre 130 sind
mit ihren unteren Enden in dem unteren Rohrboden 111 verschweißt und münden offen
in jeweils einen ihnen zuge ordneten konischen Durchlaß 115 der
feuerfesten Verkleidung aus. Die Rohre 130 erstrecken sich über die
ganze Höhe
des Gehäuses 101 und
münden
in der Rauchgasauslaßkammer 107 oberhalb
des Rohrbodens 120 offen aus. Die an dem Einlaß 104 eingeleiteten Rauchgase
treten am unteren Ende in die Rohre 130 ein und am oberen
Ende aus den Rohren 130 in die Rauchgaskammer 107 über, von
wo sie im Sinne des Pfeiles 108 in die Leitung 30 gelangen,
die zu dem Wärmetauscher 14 führt (4).
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Da die Rohre 130 wegen der
hohen Temperatur der Rauchgase sehr heiß werden und eine erhebliche
Länge aufweisen,
kommt es zu starken thermischen Dehnungen, weil das Gehäuse 101 diese hohen
Temperaturen nicht aufweist. Der Duchlaß an dem oberen Rohrboden muß vollkommen
dicht sein, damit sich die Rauchgase und der Wind nicht vermischen
und kein Brand entsteht. Aus diesem Grunde sind an der Unterseite
des oberen Rohrbodens 120 Kompensatoren 131 mit
Metallfaltenbälgen
vorgesehen.
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Im oberen Bereich des Gehäuses 101 ist durch
einen mit relativ geringem Abstand unter dem oberen Rohrboden 120 angeordneten
Zwischenrohrboden 121 eine Windeinlaßkammer 116 gebildet,
die über
einen seitlichen Einlaß 117 im
Sinne des Pfeiles 118 durch die Leitung 28 mit
Wind versorgt werden kann.
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Durch einen mit Abstand oberhalb
des Rohrbodens 112 angeordneten Zwischenrohrboden 122 ist
eine als Ganzes mit 123 bezeichnete Windauslaßkammer
abgeteilt, in die der Wind aus den offenen unteren Enden der Mäntel 140 eintritt
und aus der er an einem Auslaß 124 im
Sinne des Pfeiles 125 in die Leitung 27 abgeführt werden
kann. Die Mäntel
sind an dem Zwischenrohrboden 121 angeschweißt und hängen an
diesem frei nach unten. Der Abstand des unteren Endes 140' gegenüber der
feuerfesten Schicht 119 trägt der auftretenden Wärmedehnung Rechnung.
Es muß stets
ausreichend Platz für
den Windaustritt vorhanden sein. Der am Auslaß 124 abgeführte Wind
ist durch seinen Weg in den Mänteln 140 stark
vorgewärmt
worden.
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In 5 ist
der Doppelrohrboden etwas mehr im Detail wiedergegeben. Der Zwischenraum zwischen
den Rohrböden 111 und 112 ist
bis zu einer Füllstandshöhe 127 mit
Kühlwasser 128 gefüllt. Die Rohre 130 sind über die
Höhe des
Doppelrohrbodens 110 von Trennrohren 135 umgeben,
die mit den Rohrböden 111, 112 dicht
verschweißt
sind. Die Rohre 130 werden durch die Trennrohre 135 hindurchgesteckt
und kommen nicht direkt mit dem Kühlwasser 128 in Berührung. Die
Trennrohre 135 wiederum sind von einer oben zylindrischen
und unten sich konisch leicht erweiternden Hülle 136 umgeben, die
zur Herbeiführung
einer Siedewasserkühlung
des unteren Endes des Rohres dient.
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Die heißen Rauchgase treten von unten
im Sinne der Pfeile 137 in die Rohre 130 ein,
die sich daher an ihrem unteren Ende stark aufheizen. Das Wasser 128 beginnt
zu sieden. Der entstehende Dampf wird über die Leitung 129 aus
dem Dampfraum über
dem Wasserspiegel 127 abgezogen und einem Kondensator 138 zugeführt, worin
er kondensiert, worauf das Kondensat über die Leitung 139 wieder
in einen Doppelrohrboden 110 zurückgeführt wird.
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Die Temperatur in dem Doppelrohrboden 110 ist
vom herrschenden Druck abhängig.
Sie wird durch ein Thermoelement 142 gemessen und gegen einen
Wandler 143 in ein elektrisches Signal umgewandelt, mittels
welchem ein Motor 144 zur gesteuerten Feststellung eines
Ventils 145 betrieben werden kann. Das Ventil 145 bestimmt
die Menge des aus einem H2O-Netz dem Kondensator 138 zugeführten Kühlwassers
und damit die Kühlleistung
des Kondensator 138 im Verhältnis
zur Heizleistung der Rauchgase in dem Doppelrohrboden 110.
Auf diese Weise kann ein gewünschtes
Gleichgewicht bzw. eine gewünschte
Temperatur des Wassers und des Dampfes im Doppelrohrboden 110 eingestellt
werden.
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Das außen glatt zylindrische Trennrohr 135 ist
zur Erzielung einer Siedewasserkühlung
von einer Tülle 136 umgeben,
die etwa in der oberen Hälfte
zylindrisch ausgebildet ist und den Außenumfang des Trennrohres 135 mit
ei nem geringen Spiel von etwa 2 mm umgibt. Im unteren Bereich erweitert
sich die Tülle 136 leicht
konisch. Sie stet auf dem Rohrboden 111 auf und hat am
unteren Rand Durchbrechungen 154, die den Eintritt von
Kühlwasser 128 in
den Raum 155 zwischen dem Außenumfang des Trennrohrs 135 und
dem Innenumfang der Tülle 136 ermöglichen.
Am oberen Rand 136' beläßt die Tülle 136 Abstand
von der Unterseite des Rohrbodens 112. Das an den Durchlässen 154 eintretende
Wasser verdampft an der heißen
Außenseite
des Trennrohrs 135, wobei der Dampf- bzw. ggf. ein Dampfwassergemisch
in den Zwischenraum zwischen dem Innenumfang der Tülle 136 und
dem Außenumfang
des Trennrohrs 135 nach oben schießt und den Außenumfang
des Trennrohrs 135 im wesentlichen auf der Dampf- bzw.
Wassertemperatur hält.