DE2164009A1

DE2164009A1 - Wärmeaustauschersystem und Verfahren zum Erhitzen von verbrennbaren oder reduzierbaren Gasen

Info

Publication number: DE2164009A1
Application number: DE19712164009
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Kawasaki; Fukushima Tsutomu Yokohama; Kanagawa; Miyashita (Japan). P
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1970-12-22
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-06-29
Also published as: JPS4818174B1; US3746503A; BE777070A; FR2119485A5; GB1353550A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN PATENTANWÄLTE 2164003 D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUASTfIASSE 4 · TELEFON (O<11) 911087

Nippon Kokan
Kabushiki Kaisha

Tokyo / Japan

Wärmeaustauschersystem

und

Verfahren zum Erhitzen von verbrennbaren oder reduzierbaren Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung einer Reformierungsstufe in eine Wiedererhitzungsatufe und umgekehrt in einen Wärmeaustauscher,ohne daß ein Austausch der darin befindlichen Atmosphäre durch ein Inertgas oder Wasserdampf erfolgt. Es handelt sich um die Erhitzung von solchen verbrennbaren oder explosiven Gasen, wie Methan und Propan oder Koksofengasen unter Verwendung eines Wärmeaustauschers des Regeneratortyps.

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Bei den direkten Reduktionsverfahren, bei denen gasförmige Reduktionsmittel (CO, Hg) verwendet werden, sind bereits verschiedene Methoden bekannt, solche reduzierbare oder verbrennbare Gase, wie CO, H₂ oder kohlenwasserstoffhaltige Gase, z.B. Methan, auf hohe Temperaturen, z.B. 1000⁰C, zu erhitzen.

Diese bekannten Methoden können grob in die folgenden zwei Kategorien nach den Arten der verwendeten Wärmeaustauscher eingereiht werden. Bei der einen Kategorie erfolgt das Erhitzen durch Wärmeaustauscher des Rekuperator-Typs bzw. des Winderhitzertyps oder direkt auf elektrische V/eise, wodurch ein kontinuierliches Erhitzen des Gases möglich ist. Seit diesem Vorgehen ist das elektrische Heizsystem des Wiberg-Verfahrens gut bekannt. Die andere Kategorie umfaßt eine Methode des Erhitzens unter Verwendung von Wärmeaustauschern des Regenerator-Typs. Bei diesem Typ von Wärmeaustauschern wird ein Zyklus aus einer Reformierungsstufe und eine Wiedererhitzungsstufe wiederholt. Dieses Vorgehen wird bei vielen Verfahren, beispielsweise bei dem Purofer-Verfahren und dem Koppers-Verfahreri angewendet.

Zur Verminderung der Koksmenge, die verbraucht wird, wenn ein auf hohe Temperaturen erhitztes reduzierendes Gas in den unteren Teil des Schachts eines Gebläseoferis eingeblasen wird, ist es für die thermische Wirksamkeit vorteilhaft, das Gas mit der höchstmöglichen Temperatur in einem solchen Bereich einzuleiten, daß der Teil der eingebrachten Materialien,in den das Gas eingeblasen wird, nicht erweicht wird, d.h. bei 1200 bis 125O°C. Wenn erhitztes COp mit einem erhitzten kohlenwasserstoffhaltigen Gas zur Umsetzung kommt, dann erfolgt eine endotherme Reaktion

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BADORIGiNAt.

und CO und Hp v/erden erhalten. Daher müssen, um ein reduzierendes Gas, das CO und Hp enthält, mit einer höchstmöglichen Temperatur zu erhalten C0_p und die kohlenwasserstoffhaltigen Gase vorzugsweise auf eine höchstmögliche Temperatur aufgeheizt werden, um&ie Reaktionswärme zu ergänzen. Vorzugsweise sollten solche Gase auf mehr als 1200⁰C erhitzt werden.

Die Koksmenge, die verbraucht wird, sollte vermindert werden, um die Herstellungskosten zu verringern, indem reduzierende Gase mit einer hohen Temperatur in den unteren Teil des Schachts des Gebläseofens eingeblasen werden. Zur Erzielung dieses Zweckes werden Energiequellen und Reduktionsmittel benötigt, die mit einem niedrigeren Preis als Koks erhältlich sind. Derzeit wird elektrische Energie nicht bevorzugt, da sie erheblich teurer als Koks ist.

Auf Grund der vorstehenden Umstände sind die herkömmlichen Wärmeaustauscher vom Rekuperator-Typ unvorteilhaft, um Gase bis zu solch¹ hohen Temperaturen wie oberhalb 900⁰C zu erhitzen. Dem Fachmann ist es ferner bekannt, daß in diesen Typen von Wärmeaustauschern der Wärmeaustausch mit niedriger Wirksamkeit vonstatten geht. Ein elektrisches Erhitzen, wie es beispielsweise bei dem Wiberg-Verfahren erfolgt, wird vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt nicht bevorzugt. Aus den vorstehenden Gründen werden im allgemeinen, um Gase mit hohen Temperaturen oberhalb 1000°C zu erhalten, Wärmeaustauscher des Regenerator-Typs verwendet.

Bei Wärmeaustauschern des Regenerator-Typs ist es notwendig, svjei Wärmeaustauscher vorzusehen, in denen abwechselnd von einer Reformierungsstufe in eine Wieder-

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erhitzungsstufe umgeschaltet wird.

Es besteht keine Gefahr, eine Wiedererhitzungsstufe in eine Wärmeaustauschstufe in einer oxidierenden Atmosphäre, wie in einem gewöhnlichen heißen Gebläseofen umzuschalten. Auf der anderen Seite ist es aber sehr gefährlich, reduzierbare oder verbrennbare Gase zu erhitzen, weil die Möglichkeit besteht, daß solche Gase zum Zeitpunkt des Umschaltens der einzelnen Stufen explodieren können.

ψ* Bei dem bekannten Verfahren wird zur Vermeidung von solchen Explosionsgefahren, das Gas in der Erhitzungskammer durch Inertgase, wie Hp, Ar, Wasserdampf etc. zum Zeitpunkt des Umschaltens der Stufen ersetzt. Ein solcher Austausch mit Inertgasen erfordert mehrere Male das Volumen der Heizkammer der Inertgase, wodurch hohe Kosten für die Inertgase und große Wärmeverluste entstehen.

Bei den herkömmlichen öfen, die für ein direktes Reduktionsverfahren entwickelt worden sind, werden die Gase im allgemeinen mit Temperaturen von weniger als 1OOO°C eingeblasen, um eine Adhäsion der Eisenerze zu vermeiden, so daß die oben genannten Wärmeaustauscher mit einer Umschaltung der Stufen verwendet werden können. Wenn jedoch Gase mit solch hohen Temperaturen wie 1200 bis 1300°C, wie gemäß der Erfindung, erhalten werden sollen, dann können die WärmeVerluste, die zum Zeitpunkt des Umschaltens der Stufen in solchen Wärmeaustauschern entstehen, nicht mehr außer acht gelassen werden.

Für ein solches Erhitzen ist somit ein Ofen für das Erhitzen der reduzierbaren Gase notwendig, in viel ehern ein Umschalten der Reformierungsstufe in die V/i eder erhitzungs -

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stufe und umgekehrt ohne einen Ersatz mit Inertgasen möglich ist und in welcher die Vermeidung eines Temperaturabfalls in einer Erhitzungskammer beim Umschalten der Stufen ermöglicht wird.

Die Erfindung stellt nun ein Verfahren zum Erhitzen von verbrennbaren Gasen und einen hierfür geeigneten Wärmeaustauscher des Regenerator-Typs zur Verfügung.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Wärmeaustauseher-System des Regenerator-Typs, das durch einen Regenerator-Wärmeaustauscher, Brennereinrichtungen, die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden sind, Einrichtungen für die Herstellung einer oxidierenden Flamme in den Brennereinrichtungen, Einrichtungen für die Herstellung einer reduzierenden Flamme in den Brennereinrichtungen und Einrichtungen für die Kontrolle des Betriebs der Brennereinrichtungen, um die oxidierende Flamme oder die reduzierende Flamme zu ergeben, gekennzeichnet ist.

Ein v/eiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erhitzen von verbrennbaren oder reduzierbaren Gasen mittels eines Wärmeaustauschers des Regenerator-Typs, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Wärmeaustauscher regeneriert, indem man mit einem oxidierenden Gas erhitzt, das durch eine oxidierende Flamme gebildet wird, das Erhitzen mit dem oxidierenden Gas beendigt, den Sauerstoffgehalt in dem Wärmeaustauscher mit einem reduzierenden Gas verringert, welches durch eine reduzierende Flamme gebildet wird, und daß man das zu erhitzende Gas durch den Wärmeaustauscher leitet.

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Die Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

^ie Zeichnung erläutert eine AusfUhrungsform eines Verfahrens, bei welchem Koksofengas A und Gebläseofen-Abgas B in einem Wärmeaustauscher 1 oder 2 erhitzt werden und zu einem Reformierungsturm 5 geleitet werden, wo die Gase A und B reformiert werden. Diese Gase werden sodann in den Schacht 13 eines Gebläseofens geblasen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Menge von Heizbrennern 6 und 7 der Wärmeaustauscher 1 oder 2 zur Verfügung gestellt. Dies erleichtert die Umschaltung der Reformierungsstufe in eine Wiedererhitzungsstufe, indem die Verbrennung mit einer oxidierenden Flamme zu einer Verbrennung mit einer reduzierenden Flamme ohne die Bewirkung einer Explosion umgewandelt wird. Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform umfaßt eine Kombination von Brennern, die aus einem Hauptbrenner 6, der besonders für die Verbrennung mit einer oxidierenden Flamme in der Reformierungsstufe versehen ist und einem speziellen Hilfsbrenner 7> der sowohl für die Verbrennung mit einer oxidierenden Flamme als auch mit einer reduzierenden Flamme geeignet ist, besteht. Diese Verbrennungen können austauschbar ineinander umgewandelt bzw. umgeschaltet werden. Jedoch kann auch der Hauptbrenner selbst gleichzeitig auch als Hllfsbrenner dienen, welcher sowohl für die Verbrennung mit einer oxidierenden Flamme und sodann mit eineri reduzierenden Flamme einsetzbar ist.

Mit dieser Kombination der Brenner gemäß der Erfindung erfolgt die Reformierung in einer Reformierungsstufe in der Weise, daß eine Verbrennung mit der oxidierenden Flamme

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mittels des Hauptbrenners erfolgt. Dabei sind das Ablaßventil 4 für die reduzierbaren Gase und die Einlaßventile 8, 9 für die Gebläseofengase und Koksofengase jeweils geschlossen und ein Schachtventil 10 ist geöffnet. Am Ende der Reformierungsstufe wird der Hilfsbrenner 7 angezündet, während der Hauptbrenner 6 während der Verbrennung mit der oxidierenden Flamme abgeschaltet wird. Sodann wird dije Flamme des Hilfsbrenners 7 zu einer reduzierenden Flamme umgeschaltet. Wenn die Konzentration des Sauerstoff in dem Wärmeaustauscher weniger als die Obergrenze wird, ober- ä halb welcher Grenze die Möglichkeit einer Explosion besteht, dann wird das Schachtventil 10 geschlossen und die anderen "Ventile, 4-, 8 und 9 werden geöffnet. Somit erfolgt eine Umwandlung von der reformierenden Stufe in die Wiedererhitzungs stufe des reduzierbaren Gases und der Hilfsbrenner wird sodann abgeschaltet.

Beim Umschalten der Wiedererhitzungsstufe in die Reformierungsstufe werden die Ventile 4, 8, 9 geschlossen und das Schachtventil 10 wird geöffnet. Der Hilfsbrenner 7 wird angezündet. Dessen Verbrennungsflamme wird von einer reduzierenden Flamme in eine oxidierende umgewandelt. Wenn die Atmosphäre in dem Wärmeaustauscher oxidierend wird, ™ dann wird der Hauptbrenner 6 angezündet und der Hilfsbrenner 7 wird abgeschaltet. Somit wird die Wiedererhitzungsstufe in die Reformierungsstufe umgeschaltet. Bei diesem Umschalten der Stufen kann, wenn die Möglichkeit einer Explosion in dem Schacht 11 besteht, wenn das Schachtventil IO geöffnet wird, der Schacht 11 durch Durchleiten von Wasserdampf gespült werden. Diese Maßnahme stört den Wiedererhitzungsbetrieb nicht. In der Zeichnung bedeuten die Buchstaben C Luft, D Sauerstoff, E Schweröl und F Brennstoff.

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Wie beschrieben wurde, stellt die vorliegende Erfindung als Brenner für einen Wärmeaustauscher des Regenerator-Typs einen Brenner zur Verfügung, in welchem es möglich ist, beliebig von der oxidierenden "Verbrennung zur reduzierenden Verbrennung und umgekehrt umzuschalten, oder indem zusätzlich zu diesem Brenner ein spezifischer Hilfsbrenner zur Verfugung gestellt wird, in welchem es möglich ist, willkürlich von der oxidierenden Verbrennung in die reduzierende Verbrennung und umgekehrt umzuschalten. Es A ist möglich, die Atmosphäre in dem Wärmeaustauscher durch -- Verbrennung des Abgases und des Hilfsbrenners zu kontrollieren und zu erhitzen.

Auf diese Weise wird die Heformierungsstufe, bei welcher eine Verbrennung mit einer oxidierenden Flamme erfolgt, in eine Wiedererhitzungsstufe umgeschaltet, indem die Verbrennungsatmosphäre des Hilfsbrenners in die reduzierende Atmosphäre umgewandelt wird. Dabei ist ein Ersatz bzw. Austausch der Atmosphäre in der Wärmeaustauscherkammer durch ein Inertgas, Wasserdampf etc. nicht erforderlich. Als Ergebnis erfolgt eine Abnahme des Temperaturabfalls und der Wärmeverluste und das Nichtauftreten von Explo-JF sionen, die auf einen ungenügenden Ersatz der Atmosphäre in der Wärmeaustauschkammer zurückzuführen sind. Dieses Vorgehen kann nicht nur auf das Erhitzen der reduzierbaren Gase, die in einen Gebläseofen eingeblasen werden, angewendet werden, sondern auch auf das Erhitzen von gasförmigen Reduktionsmitteln, wie sie bei verschiedenen Arten von direkten Reduktionsverfahren eingesetzt werden. Es ist möglich, die Atmosphäre in der Wärmeaustauschkammer willkürlich durch die Brennereinrichtungen zu kontrollieren, die in einem Wärmeaustauscher des Regenerator-Typs vorgesehen sind und die sowohl für oxidierende Flammen als

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auch reduzierende Flammen verfügbar sind. Dabei können die einzelnen Flammen ineinander umgewandelt werden. Ferner kann das Verfahren zur Kontrolle der Atmosphäre in einer Wärmeaustauschkammer durch Abgas von einem Brenner oder der Austauschung der Atmosphäre auf die Austauschung von beliebigen explosiven Gasen angewendet werden. So kann z.B. der Austausch des Gases, das beim Cräcken von öl durch Wasserdampf gebildet wird oder der Atmosphäre in einem Ofen für die Bildung von Wassergas oder Rohren von diesem Ofen geschehen.

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Claims

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Patentansprüche

[l.y Wärmeaustauscher-System des Regenerator-Typs, gekennzeichnet durch den Regenerator-Wärmeaustauscher (1, 2), Brennereinrichtungen (6, 7), die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden sind, Einrichtungen für die Bildung einer oxidierenden Flamme m in den Brennereinrichtungen, Einrichtungen für die BiI- ^ dung einer reduzierenden Flamme in den Brennereinrichtungen und Einrichtungen zur Kontrolle des Betriebs der Brennereinrichtungen, um die oxidierende oder die reduzierende Flamme herzustellen.

2. Wärmeaustauscher-System des Regenerator-T^rps, gekennzeichnet durch einen Regenerator-Wärmeaustauscher (l, 2), eine erste Einlaßleitung, die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden ist, ersten Ventlleinrichtüngen in der Einlaßleitung, um den Strom eines Oases, das erhitzt werden soll, in den Regenerator-Wärmeaustauscher zu kontrollieren, Brennereinrichtungen (6, J), die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden sind, Einrichtungen zur Bildung einer oxidierenden Flamme in den Brennereinrichtungen, Einrichtungen zur Bildung einer reduzierenden Flamme in den Brennereinrichtungen, einer Ablaßleitung, die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden ist, Ventileinrichtungen zur Kontrolle des Stromes der Gase von dem Regenerator-Wärmeaustauscher durch die Ablaßleitung, eine Auslaßleitung, die mit dem Regenerator-Wärmeaustauscher verbunden ist, dritte Ventileinrichtungen in der Auslaßleitung zur Kontrolle des Stromes des Gases aus dem Regenerator-Wärmeaustauscher zum Punkt des

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Verbrauchs und durch Einrichtungen zur Kontrolle des Betriebs der Brennereinrichtungen, um die oxidierende Flamme oder die reduzierende Flamme herzustellen.

J. Wärmeaustauscher-System des Regenerator-Typs nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet , daß ein Hauptbrenner (6) zur Bildung einer oxidierenden Flamme und ein Hilfsbrenner (7) zur Bildung einer oxidierenden Flamme oder einer reduzierenden Flamme vorgesehen ist.

4. Wärmeaustauscher-System des Regenerator-Typs nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch g e k e η η ζ e ichne t , daß weiterhin ein Regenerator vorgesehen ist, der mit der Auslasleitung verbunden ist, um erhitzte Gase von dem Regenerator-Wärmeaustauscher aufzunehmen .

5· Wärmeaustauscher-System des Regenerator-Typs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einlaßleitung und zweite Ventileinriehtungen in der zweiten Einlaßleitung zur Kontrolle des Stromes eines Gases in den Regenerator-Wärmeaustauscher vorgesehen sind.

6. Wärmeaustauscher-System des Regenerator-Typs nach Anspruch 5, dadurch gekennzei chnet , daß Einrichtungen zur Zuführung von Koksofengas in die erste Einlaßleitung und Einrichtungen für die Zufuhr von Gebläseofenabgas in die zweite Einlaöleitung vorgesehen sind.

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7. Verfahren zum Erhitzen von verbrennbaren oder reduzierbaren Gasen mittels eines Wärmeaustauschers des Regenerator-Typs, dadurch gekennzeichnet , daß man den Wärmeaustauscher regeneriert, indem man ihn mit einem oxidierenden Gas, das von einer oxidierenden Flamme gebildet wird, erhitzt, das Erhitzen mit demoxidierenden Gas beendigt, den Sauerstoffgehalt in dem Wärmeaustauscher mit einem reduzierenden Gas, das von einer reduzierenden Flamme gebildet wird, vermindert, und daß man hiernach das zu erhitzende Gas durch den Wärmeaustauscher W leitet.

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