DE2022253A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Schutzatmosphaere,insbesondere fuer Huettenoefen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Schutzatmosphäre, insbesondere für Hüttenöfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schutzatmosphäre insbesondere für Hüttenöfen.
• Bekanntlich werden in verschiedenen Industriezweigen und insbesondere in der Hüttenindustrie mit Schutzgasatmosphare arbeitende Öfen verwendet. Insbesondere bei manchen Glüh-, Härt- und Anlaßvorgängen sind die Werkstücke bei einer gewissen Temperatur unter einer Schutzatmosphäre zu halten, welche beispielsweise die Oxydierung und die Auskohlung verhindern soll. Einer der wichtigsten Faktoren, auf welche hierbei einzuwirken ist, ist das Verhältnis von CO zu CO2.'I manchen Fällen muß dieses Verhältnis verhältnismäßig hoch, beispielsweise gleich oder größer als 2, gehalten werden.
• Die Erzeugung derartiger Schutzatmosphären geschieht durch Verbrennung eines geeigneten, insbesondere gasförmigen Brennstoffs. Durch entsprechende Wahl der Bedingungen des Verbrennungsvorgangs und insbesondere durch entsprechende Wahl des Verhältnisses d9r Verbrennungsmittelmenge zur Brennstoffmenge kann das Verhältnis von Co za CO2 in einem gewissen Maß geändert werden.
• Beispielsweise können bei der Verbrennung von Kokereigasen und Propan mit Luft CO/0O2-Verhältnisse von etwa 2 erreicht werden.
• Mit Erdgasen, insbesondere methanreichen Erdgasen, ist es unter den günstigsten Arbeitsbedingungen Jedoch kaum möglich, ein CO1CO2-Verhältnis von mehr als 1,5 zu erreichen.
• Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung von Schutzatmosphäre zu schaffen, die unabhangig von der Art des benutzten Brenngases, wie Kokereigas, Stadtgas, Propan oder insbesondere Erdgas, ein günstiges CO/CO2-Verhältnis aufweist.
• Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnets daß zur Anhebung des CO/CO2-Verhältnisses der gebildeten Schutzatmosphäre vor der Verbrennung zumindest einige Fraktionen des Brenngasgemisches vorgewärmt werden. Auf diese Weise wird es selbst beispielsweise bei einem gebräuchlichen Erdgas möglich, CO/CO2-Verhältnisse von wesentlichmehr als 2, beispielsweise von etwa 2,5, zu erreichen.
• Auf diese Weise können stärker reduzierend wirkende Atmosphären gebildet werden, als es ohne Vorwärmen möglich wäre.
• Es wurde nun gefunden, daß bei der Behandlung von Metallteilen, insbesondere von Stahlteilen unter Schutzatmosphäre zwei sehr bedeutende Faktoren auftreten, und zwar der Gehalt der Schutzatmosphäre an freiem Sauerstoff und der Gehalt an Methan. Der Gehalt an Wasserdampf spielt ebenfalls eine Rolle.
• Im Einzelnen wurde festgestellt, daß es bei der Behandlung von Stahlteilen kaum möglich ist, befriedigende Ergebnisse zu erreichen, wenn der Gehalt der Schutzatmosphäre an freiem Sauerstoff 20 Teile pro Tausend (20 %o) überschreitet.
• Daneben wurde festgestellt, daß dem Gehalt der ßchutzatmoschare an Methan ebenfalls- eine große Bedeutung zukommt.
• Wenn in der Schutsatmosphare Spuren von Methan vorhanden sind, verursacht die Schutzatmosphäre bei Berührung mit dem Metall durch Krackung die Ablagerung einer unregelmäßigen Kohlenstoffschicht. Diese unregelmäßige Ablagerung ist dem Oberflächenzastand des Metalls nach dem Beizen abträglich.
• Ferner wurde entgegen der allgemeinen Meinung festgestellt, daß in geringen Mengen vorhandener Schwefelwasserstoff bei Abwesenheit von Methan und Sauerstoff die Metalle nicht angreift. Es ist somit nicht erforderlich, die Entschwefelung des Brennstoffgemischs sehr weit zu führen, sofern in der Behandlungsatmosphäre keine Sauerstoffspuren vorhanden sind.
• Dies führt zu einer beträchtlichen Vereinfachung und Verbilligung des Verfahrens.
• Brfindongsgemäß werden demnach zur Vermeidung der Methanbildung bei der Verbrennung und des Vorhandenseins von Sauerstoff in der gebildeten Atmosphäre die Voraussetzungen der Verbrennung und insbesondere die Vorwärmung und der lJuftfaktor so gewählt, daß die Temperatur der Brennkammerinnenwand über einer kritischen Temperatur T0 von etwa 12000C liegt, und wird gleichzeitig das Ansteigen des Luftfaktors bis zum Auftreten von Sauerstoffspuren, die bei der Verbrennung nicht reagiert haben, vermieden.
• Es wurde nämlich gefunden, daß für alle Brenngasgemische eine kritische Temperatur von etwa 1200°C besteht, von welcher an Spuren von Methan in den Verbrennungsprodukten auftreten.
• Hierbei wurde folgende Entwicklung festgestellt: Temperatur (OC) ffi CH4 o 02 etwa 1230 0 <20 %o etwa 1220 0,1 < 20 %o etwa 1210 0,2 <2Ö «o etwa 1200 0,3 20 %o Die Kettenbildung Methan-Sauerstoff tritt unabhängig von dem benutzten Brennstoff auf. Die Voraussetzungen der Reaktion, d.h. insbesondere der Luftfaktor und die Vorwärmung, werden somit erfindungsgemäß so gewählt, daß die Verbrennung bei einer über dieser kritischen Temperatur liegenden Temperatur vor sich geht. Bei jedem Brennstoff tritt nämlich der Begriff eines kritischen Iiuftfaktr auf, unter welchem Spuren von Methan und Sauerstoff auftreten.
• Der liuftfaktor wird gewöhnlich als Verhältnis n des in dem Brennstoffgemisch benutzten Luftvolumens zu dem zum Erreichen einer vollständigen Verbrennung des Brennstoffs theoretisch erforderlichen Iiuftvolumen definiert. Dieser Luftfaktor muB kleiner als 1 sein, wenn erreicht werden soll, daß die Schutzatmosphäre insbesondere auf grund der Anwesenheit von Kohlenstoffoxyd CO und Wasserstoff H2 reduzierende Eigenschaften besitzt, wobei kein freier Sauerstoff vorhanden sein darf.
• Mit anderen Worten, der Buftfaktor wird bo gering gewählt, daß nach Reaktion eine reduzierende Atmosphäre entsteht, und die Vorwärmung wird soweit geführt, daß die Verbrennungstemperatur mit diesem gegebenen Buftfaktor oder einem niedrigeren Luftfaktor über der kritischen Temperatur TC liegt, bei welcher Spuren von Methan auftreten würden.
• Die kritische Temperatur T0 wird in Nähe der Grenzschicht zwischen der feuerfesten Innenauskleidung der Brennkammer und dem Strom der Verbrennungsgase gemessen.
• Zur Vermeidung jeglicher Spuren von Sauerstoff und Methan in den Verbrennungsprodukten müssen gleichzeitig verschiedene andere Maßnahmen ergriffen werden.
• So wird beispielsweise die vollständige Reaktion der Produkte maximal dadurch gefördert, daß der Körper des Brenners nicht beispielsweise mithilfe von Wasserumlauf gekühlt wird.
• Ferner wird in Höhe des Brenners die Geschwindigkeit des Brennstoffgemischs so verringert, daß jedes Abheben der Flamme und jedes darauffolgende Auftreten von Methan und Restsauerstoff, der nicht reagiert hat, vermieden wird.
• Um ferner eine vollständige Reaktion des Gemischs in der Verbrennungskammer zu erreicht4 wird die Burchgangsgeschwindigkeit des Gemischs in dieser beispielsweise auf einen Wert von 1 m/sec herabgesetzt.
• Um den innigen Kontakt der reagierenden Produkte zu fördern, wird die Verbrennungskammer mit einer großen Kontaktmasse beispielsweise aus porösem feuerfesten Material gefüllt, die beispielsweise die Hälfte oder zwei Drittel deren einnimmt.
• Die Abscheidung des Wassers wird zweckmäßigerweise durch Kondensierung des Wasserdampfs und gegebenenfalls durch anschließende Kühlung erreicht. Dieser Arbeitsgang wird nach der Verbrennung des Brennstoffgemischs und vor dessen Einführung in die Anlage, in welcher unter Schutzatmosphäre gearbeitet wird, vorgenommen.
• Die zur geeigneten Senkung des Iiuftfaktors vorgenommene Vorwärmung wird zweckina1igerweise auf an sich bekannte Weise zumindest zum Teil durch Ausnutzung der Wärme der gebildeten heißenAteosphare durchgeführt.
• Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch Einrichtungen zum Vorwärmen des Brennstoffgemischs vor dessen Eintreten in die Verbrennungskammer, eine mit einem Brenner ausgestattete Verbrennungskammer, wobei Verbrennungskammer und Brenner so ausgebildet sind, daß eine vollständige Reaktion des Gemischs erreicht wird, mindestens einen Kondensator zum Trocknen des Gemischs nach der Verbrennung und Einrichtungen zur Kontrolle der einzelnen Parameter der Reaktion, wie insbesondere der Temperatur der Innenwandung der Verbrennungskammer und des Methangehalts des verbrannten Gemischs.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird.
• Hierbei zeigen die Fig. 1 und 2 jeweils eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Bei der auf Fig. 1 argestellten Ausführungsform wird der Schutzsasgenerator 1 beispielsweise durch einen Kompressor 2 mit über eine Leitung 3 zugeführtem Brenngas und mit über eine Leitung 4- zugeführt er Verbrennungsluft gespeist. Das Brenngasgemisch wird in einem Vorwärmetauscher 5 vorgewärmt. Dieser Vorwarmetauscher wird durch die über die Leistung 6 zugeführte Heißluft geheizt, die in einem Wärmetauscher 7 erzeugt wird, der sich in dem Ausgangskreis der durch Verbrennung in dem Brenner 9 des Generators erzeugten und bei 8 dem unter Schutzatmosphäre arbeitenden Ofen (nicht dargestellt) zugeführtenAtmosphäre befindet. Die Zusammensetzung der in dem Generator 1 erzeugten Atmosphäre und insbesondere das CO/C02-Verhältnis hängen bei einem gegebenen Generator von dem Verhältnis von Zuluft und Brenngas (Luftverhältnis) in dem dem Brenner 9 zugeführten Gemisch, vom Gesamtdurchsatz des Gasgemischs und der Temperatur dieses Gemischs ab. Zur Regulierung dieser Temperatur kann das dem Vorwärmetauscher 5 zugeführte IIeißluftvolumen beispielsweise durch Einwirkung auf den Durchsatz der in den W0rmetauscher 7 bei 6a eingeführten Zuluft geändert werden. Die in der Leitung 6 strömende Heißluft kann zwischen dem Eingang 6a des Wärmetauschers 7 und dem Ausgang 6b des Wärmetauschers 5 zurückgeführt werden. Die Verbrennungsluft kann gegebenenfalls vor ihrer Zuführung am Eingang 6a unter Überdruck gesetzt werden, wobei der Kompressor 2 nur das Brenngas komprimiert.
• Die in dem Wärmetauscher 7 aufgeheizte Luft wird vor dem Brenner mit dem unter Überdruck stehenden Gas gemischt.
• Der auf Fig. 2 dargestellte Schutzgasgenerator 10 wird über eine Beitung 13 mit Brenngas und über eine Leitung: 14 mit Verbrennungsluft gespeist. Das Brenngasgemisch wird in einem Wärmetauscher 17 vorgewärmt, der sich in dem Ausgangskreis der Verbrennungskammer 12 befindet, in welcher die Schutzgasatmosphäre erzeugt wird, und wird über eine Leitung 11 dem Brenner 19 zugeführt.
• Wie anhand vonFig. 1 beschrieben wurde, wird zweckmäßigerweise zur Vorwärmung des Brennstoffemischs ein Zwischenmedium, beispielsweise Luft, benutzt, wodurch ein anpassungsfähigerer Betrieb erreicht wird.
• Das dem Brenner 19 zugeführte Brennstoffgemisch wird in der heißen, zweckmäßigerweise mit einer wirksamen feuerfesten Wärmeisolationsauskleidung 16 6 versehenen Kammer 12 verbrannt.
• Zur Förderung der Reaktion des Brennstoffgemischs wird der innige Kontakt der miteinander reagierenden Produkte dadurch erhöht, daß eine große Kontaktinasse 15 vorgesehen wird, die beispielsweise aus einem feuerfesten, zerklei nerten Stoff besteht und mindestens die Hälfte oder zwei Drittel des Kammervolumens einnehmen kann.
• Wie bereits gesagt wurde, werden die Bedingungen der Verbrennung in der Kammer 12 so gewählt, daß in den bei 18-aus der Kammer 12 austretenden Verbrennungsprodukten keinerlei Spuren von Methan und Sauerstoff vorhanden sind.
• Dies wird, wie bereits gesagt wurde, durch Einwirkung auf verschiedene Faktoren erreicht: a) Es wird ein nicht gekühlter Brenner benutzt, der eine homogene Verbrennung gestattet, so daß es zu keinem Abheben der Flamme kommt, was zum Entstehen von unverbrannten Substanzen und zur Bildung von Methan und Sauerstoff Mehren würde.
• b) Die Verbrennungskammer wird so ausgebildet, daß sie heiß ist (zur Vermeidung jedes Abschreckens der Verbrennungsprodukte), und daß ein inniger Kontakt der reagierenden Produkte besteht. Dies wird insbesondere durch entsprechende Wahl des Durchgangsquerschnitts der Kammer, so daß das Brennstoffgemisch in ihr nicht zu schnell strömt, und durch Verwendung einer großen Kontaktmasse in der Kammer erreichte Die Strömungsgeschwindigkeit in der Kammer beträgt zweckmäßigerweise etwa 1 m/ sec. Ferner wird die Verbrennungskammer nicht gekühlt.
• c) Der BuStfaktor wird so gewählt, daß die Temperatur der Innenwand der Verbrennungskammer über der oben genannten kritischen Temperatur von etwa 12000C liegt.
• Zweckmäßigerweise sind Einrichtungen zur Kontrolle der Innenwandtemperatur der Kammer und des Methangehalts der Verbrennungsprodukte vorgesehen. Diese Einrichtungen sind auf der Zeichnung nicht dargestellt.
• Die bei 18 aus der Verbrennungskammer 12 austretenden Verbrennungsprodukte werden nach Durchqueren des Wärmetauschers 17 in einem Kondensator 20 entwässert. Das Wasser, das sich an den kalten Rohren 21, in denen bei 22 kalt eintretendes Wasser fließt, kondensiert, tritt bei 2« aus dem Kondensator aus.
• Eine noch stärkere Entwässerung kann mithilfe eines zusätzlichen, mit einem Tiefsttemperaturmedium arbeitenden Wärmetauschers (nicht dargestellt) erreicht werden.
• Die bei 18 aus der Kammer 12 austretenden Verbrennungsprodukte durchqueren den Wärmetauscher 17 und anschließend den Kondensator 20, mit welchem der Wärmetauscher 17 über eine Leitung 24 verbunden ist, und treten kalt über eine Leitung 25 in das Innere 26 des Schutzgasofens -27 ein. Dieser Ofen, in welchen die zu behandelnden Teile 28 eingesetzt sind, kann außen auf beliebige Weise, beispielsweise mithilfe von in einem ringförmigen Mantel 29 strömenden Heizgasen, geheizt werden, die von beliebigen geeigneten Anlagen geliefert werden können.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Schutzatmosphäre insbesondere für Hüttenöfen S durch Verbrennung eines Brenngasgemisches, insbesondere von methanreichem Erdgas, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anhebung des CO/C02-Verhältnisses in der gebildeten Atmosphäre vor der Verbrennung zumindest einige Fraktionen des Brenngasgemischs vorgewärmt werden, und daß zur Vermeidung der Nethanbildung bei der Verbrennung die Verbrennung so durchgeführt wird und insbesondere die Vorwärmung und der Buftfaktor gleichzeitig. so gewählt werden, daß die Innenwandtemperatur der Verbrennungskammer (1, 12) über einen kritischen, etwa12OO0C betragenden temperatur TC liegt, wobei gleichzeitig das Ansteigen des luftfaktors bis zum Auftreten von Sauerstoffspuren, die bei der Verbrennung nicht reagiert haben, vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Verbrennung der Produkte maximal. begünstigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch sekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffgeniischs in Höhe des Brenners (19, 9) zur Vermeidung jedes Abhebens der Flamme und jeder Bildung von Nethanspuren und Sauerstoffspuren, die nicht reagiert haben, verringert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch rekennzeichnetX daß die Durchgangs geschwindigkeit des Gemischs in der Verbrennungskammer (1, 12) zum Erreichen einer volXständieren Reaktion in dieser beispielsweise auf einen Wert von etwa 1 m/sec herabgesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) zum Erreichen eines innigen Kontaktes der reagierenden Produkte mit einer großen Kontaktmasse (15), beispielsweise einem zerkleinerten feuerfesten Stoff, gefüllt wird, die mindestens die Hälfte oder zwei Drittel ihres Volumens einnimmt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte zur Ausscheidung jeder Spur von Wasser nach der Reaktion zweckmäßigerweise durch vor der Einführung in die unter Schutz atmosphäre arbeitende Anlage vorgenommene Kondensierung und anschließende Abkühlung getrocknet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung auf an sich bekannte Wese zumindest teilweise unter Ausnutzung der Wärme der erzeugten Atmosphäre durchgeführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen (5, 17) zum Vorwärmen des Brennstoffgemischs vor dessen Eintreten in die Verbrennungskammer, eine mit einem Brenner (9, 19) ausgestattete Verbrennungskammer (1, 12), wobei Verbrennungskammer und Brenner so ausgebildet sind} daß eine vollständige Reaktion des Gemischs erreicht wird, mindestens einen Kondensator (20) zum Trocknen des Gemischs nach der Verbrennung und Einrichtungen zur Kontrolle der einzelnen Parameter der Reaktion, wie insbesondere der Temperatur der Innenwandung der Verbrennungskammer und des Methangehalts des verbrannten Gemischs.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichetX daß die Einrichtungen zum Vorwärmen des BrennstofRgemischs aus einem Wärmetauscher (5, 17) bestehen, der zum Vorwärmen der dem Schutz'gasgenerator (1, 10) zugeführten Luft und/oder des diesem zugeführten Verbrennungsgases dient und seine Wärme von den aus der Verbrennungskammer (1, 12) austretenden Verbrennungsprodukten erhält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Luft-Gas-Wärjne'bauscher (7) ist, dessen Heißluft mindestens teilweise in einem mindestens zum Vorwärmen von Fraktionen des Brenngasgemischs dienenden Vorwärmetauscher (5) benutzt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß gegebenenfalls Einrichtungen vorgesehen sind, mit welchen das Brenngas und/oder die Verbrennungsluft vor der Verbrennung in dem Brenner des Schutzgaserseugers unter Uberdruck gesetzt werden kann.