DE2301952A1 - Vorrichtung zum aufheizen von vorzugsweise regenerativoefen zugefuehrter verbrennungsluft - Google Patents

Description

Anmelderin: Morgan Construction Company, Yforcester, Massachusetts/USA

Vorrichtung zum Aufheizen von vorzugsweise Regenerativöfen zugeführter Verbrennungsluft

Die. Erfindung betrifft allgemein Regenerativöfen und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung zum Aufheizen der diesen Öfen zugeführten Verbrennungsluft, die sowohl die zuströmende Verbrennungsluft als auch die Abluft bzw. die abströmenden verbrauchten Gase behandelt.

Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Glasschmelzofen, Herdtieföfen für Stahl, Siemens-Martin-Öfen und für Umschmelzofen für Aluminium und Kupfer geeignet.

Bei Schmelzofen dieser und ähnlicher Art ist man zwar bestrebt, die Temperatur der Abgase zum Aufheizen der zuströmenden Luft zu verwenden, jedoch sind die hierbei bisher erreichten Wirkungsgrade schlecht.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verrichtung zu schaffen, mit der man die Wärme der Abgase eines Regenerativofens mit besserem Wirkungsgrad als bisher auf die dem Ofen zugeführte Frischluft übertragen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Regenerator in Reihe mit einem Recuperator zwischen einem Regerierativofen und einer Gäsreinigungsvorrichtung aufweist. Bevor die Frischluft "bzw. Verbrennungsluft in den Ofen gelangt, wird sie zunächst durch den als Wärmetauscher ausgebildeten Recuperator und dann durch eine Kammer des ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildeten Regenerators geleitet. Gleichzeitig strömt das den Ofen verlassende Abgas durch die andere Kammer des Regenerators und dann weiter durch den Recuperator, bevor es durch die Gasreinigungsvorrichtung in den Schornstein gelangt. Außerdem ist ein Umschaltventil vorgesehen, das periodisch betätigt wird, um den Durchstrom von Frischluft und Abgas durch die Kammern des Regenerators periodisch umzukehren.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist man in der Lage, die Temperatur der Abgase des Ofens stärker als bisher möglich zu senken, bevor diese Abgase in die Gasreinigungsvorrichtung gelangen. Als direktes Ergebnis dieser stärkeren Temperaturverringerung der Abgase erhält man eine bedeutend verbesserte Erhöhung der Temperatur der in den Ofen gelangenden Verbrennungsluft. Weiterhin ist es durch die Erfindung möglich, Temperaturschwankungen in den von einem Recuperativofen zu einer Gasreinigungsvorrichtung strömenden Abgasen so klein wie möglich zu halten.

Ein λ-iesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Kombination eines Regenerators und eines Recuperators, die

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in Reihe hintereinander angecn-dnet sind. Hierdurch ist eine zweistufige Aufheizung der Verbrennungsluft möglich, bevor dieselbe in den Ofen gelangt. Eine erste Aufheizung findet statt, wenn die Frischluft durch die Röhren des Recuperators strömt. Diese Röhren sind im Strömungsweg der Abgase in Ströraungsrichtung hinter dem Regenerator angeordnet. Auf diese erste, im wesentlichen mit Konvektion arbeitende Heizstufe folgt eine zweite Heizstufe, in v/elcher die Frischluft durch eine der Kammern des Regenerators strömt. Da der Regenerator wesentlich höhere Temperaturen der Abgase aushalten kann und da die Frischluft bereits im Recuperator vorgeheizt worden ist, zeichnet sich diese zweite Heizstufe durch einen Strahlungs-Wärmeübergang hohen Wirkungsgrades aus, der die dem Ofen zuströmende Frischluft auf eine hohe Temperatur bringt. V'enn man die für den Verbrennungsvorgang zugeführte Frischluft auf eine höhere Temperatur aufheizt, kann man den Verbreiimmgswirkungsgrad im Ofenraum bedeutend verbessern.

Gleichzeitig mit der zweistufigen Aufheizung der Frischluft erfolgt eine zweistufige Abkühlung der vom Ofen zu einer Gasreinigungseinrichtung strömenden Abgase. Die erste Kühlung findet statt, wenn die Abgase durch den Regenerator oder durch mehrere derartige Regeneratoren, wenn dies erwünscht ist, strömt, während die zweite Kühlung der Abgase im Recuperator erfolgt. Durch diese Anordnung ergeben sich verschiedene bedeutende Vorteile. Wenn die Abgase beispielsweise leicht flüchtige Verunreinigungen enthalten, v/as häufig in der Glasindustrie der Fall ist, wird der größte Teil dieser flüchtigen Verunreinigungen in den Regeneratoren oder den damit verbundenen Abgaszügen niedergeschlagen, d.h. an Stellen, an denen die Gasdurchtrittsöffnungen sehr groß sind und dementsprechend

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keine Verstopfungsprobleme auftreten können. Auf diese Weise vermeidet man, daß die sehr viel engeren Durchgangsöffnungen des Recuperators verstopfen können, ein Problem, das auftritt, wenn nur Recuperatoren verwendet v/erden, um die eine hohe Temperatur aufweisenden Abgase, die gerade einen Ofen verlassen haben, zu kühlen. Die erfindungsgemäße zweistufige Kühlung schützt außerdem die Rohre des Recuperators gegen Beschädigungen, die auftreten können, wenn diese Rohre mit sehr heißen Gasen in Kontakt kommen. Noch ein v/eiterer Vorteil der zweistufigen Kühlung mit Serienschaltung von Regeneratoren und Recuperatoren besteht darin, daß man, wie bereits gesagt, die Temperaturen der Abgase wesentlich stärker herabsetzen kann. Deshalb kann man auch mit besserem Wirkungsgrad arbeitende Gasreinigungsvorrichtungen hinter dieser Kühl- bzw. Wärmetauschvorrichtung der vorliegenden Erfindung anordnen. Ein Beispiel für eine derartige Gasreinigungsvorrichtung ist eine Gasreinigungsvorrichtung mit eingebautem Sackfilter, die nur bei Gastemperaturen unterhalb 230⁰C und über dem Taupunkt sicher arbeiten können.

Wenn Sackfilter-Reinigungsvorrichtungen zum Reinigen der Abgase verwendet werden, ist es manchmal wünschenswert, einen Gegenstrom oder pulsierenden Luftstrom zu verwenden, um die aus Gewebe bestehenden Filtersäcke zu biegen oder zu bewegen, so daß in diesen festgesetzte Partikel aus ihnen entfernt werden. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von nicht geheizter Aufjenluft für den pulsierenden Luftstrom die Temperatur der Abgase und auch der Filtersäcke einschließlich der diese Filter oder Filtersäcke tragenden Teile auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes verringern kann. Dann entsteht eine Kondensation, die das Filtertuch zubäckt, wodurch eine weitere richtige Gasreinigung unmöglich wird. Auch können, wenn sich be-

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stimmte Chemikalien wie "beispielsweise Sulfate, Chlorflußmittel, Fluoride oder Sulfide in den Abgasen befinden, Säuren gebildet v/erden.

Um diese Probleme zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, die zum Bewegen der Filtersäcke oder Filtertücher verwendete pulsierende Luft mit Hilfe von Hilfsheizeinrichtungen zu erwärmen, die beim Anfahren des Ofens zunächst zum Vorheizen der Gasfiltervorrichtung verwendet werden und dann ständig in Betrieb bleiben. Hierdurch ergeben sich bedeutende Kapitalinvestitionen für die zusätzliche Heizeinrichtung und die dieser zugeordneten Steuerungen und weiterhin ständige Kosten für die zum Betrieb dieser Hilfseinrichtung erforderliche Energie.

Durch die vorliegende Erfindung wird hingegen vorgeschlagen, eine tragbare Hilfsheizeinrichtung für den pulsierenden Luftstrom zu verwenden, die nur beim Anfahren des Ofens zum Vorheizen des pulsierenden Luftstromes verwendet wird. Nachdem die Anlage einmal arbeitet, wird ein Teil der von den Recuperatoren vorgeheizten Frischluft abgezweigt und als pulsierender Luftstrom dem Gehäuse der Filtervorrichtung zugeführt,- so daß die Hilfsheizvorrichtung abgeschaltet und ausgestellt werden kann. Diese Hilfsheizvorrichtung kann dann entfernt und für andere Zwecke, bei denen erwärmte Luft benötigt wird, verwendet werden. Auf diese Weise vermeidet man zusätzliche Betriebskosten, die mit einer kontinuierlich arbeitenden Hilfsheizeinrichtung entstehen, so daß sich bedeutende Einsparungen ergeben.

Diese und v/eitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung, ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.

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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung zwischen einen Regenerativofen und eine Gasreinigungsvorrichtung eingebaut gezeigt.

Die Vorrichtung 10 ist zwischen einem Regenerativofen 12 und einer Gasreinigungsvorrichtung 14 angeordnet,., wobei die Gasreinigungsvorrichtung 14 an einen Schornstein 16 angeschlossen ist. Der Regenerativofen 12 ist üblicher Ausführung und besitzt einen Ofenraum 18, der auf seinen gegenüberliegenden Seiten von primären Gitterwerksschächten 20a und 20b eingerahmt ist.

Die Vorrichtung 10 umfaßt einen Winderhitzer oder Regenerator 22, der eine erste Kammer 24a und eine zweite Kammer 24b besitzt. Die erste Kammer 24a ist über einen ersten Kanal 26a mit dem an einer Seite des Ofenraums 18 angeordneten Gitterwerksschacht 20a verbunden, während die zweite Kammer 24b in ähnlicher Weise mittels eines zweiten Kanals 26b mit dem auf der anderen Seite des Ofenraums 18 befind·*· liehen Gitterwerksschachts 20b verbunden ist.

Die oberen Enden der Kammern 24a und 24b stehen mit einem Umschaltventil 28 in Verbindung, das beisp:eisweise wie in der US-PS 3 184 223 offenbart ausgebildet ist. Das Umschaltventil 28 besitzt ein Gehäuse 30, welches einen gewölbten Schließteil 32 enthält, der mit Hilfe eines pneumatischen, hydraulischen oder mechanischen Antriebes 33 hin und her verschoben werden kann. Das obere Ende 34 des Gehäuses 30 mündet in einen dritten Kanal 36, der zur Gasreinigungsvorrichtung 14 führt. Die Gasreinigungsvorrichtung ist üblicher Ausführung und vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine mit FiItersäcken oder Filtertüchern ausgerüstete Gasreinigungseinrichtung (bag house).

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Im dritten Kanal 36 befindet sich zwischen dem Regenerator 22 und der Gasreinigungsvorrichtung 14 ein Recuperator 38. Dieser Recuperator 38 ist vorzugsweise mit zwei Sätzen von Rohren 40a und 40b ausgerüstet. Die Rohre 40a stehen mit einem Ende mit einer gemeinsamen Kammer 42 in Verbindung, an die ein Gebläse 44 angeschlossen ist. Die anderen Enden dieser Rohre 40a stehen mit einer anderen gemeinsamen Kammer 46 in Verbindung, in welche auch die Rohre 40b münden. Mit ihren anderen Enden münden die Rohre 40b in eine dritte Kammer 48, die eine Verbindung zu einem vierten Kanal 50 herstellen. Dieser Kanal 50 führt vom Recuperator 38 zu einem Auslaß 52, der im Gehäuse 30 des Umschaltventils 28 an einer Stelle zwischen den oberen Enden der Kammern 24a und 24b liegt.

¥enn der schieberartige gewölbte Schließteil 32 sich in der in vollen Linien dargestellten Lage befindet, arbeitet die Vorrichtung folgendermaßen:

Der durch die gewellten Pfeile angedeutete Abgasstrom geht vom Ofenraum 18 durch den ersten Kanal 26a in die erste Kammer 24a des Regenerators 22. Die Kammern 24a und 24b enthalten eine geeignete Auskleidung aus Ziegelsteinen ' oder feuerfesten Steinen, welche die Wärme von den Abgasen aufnehmen und dieselbe später durch Strahlung an die Frischluft abgeben. Der Abgasstrom geht von unten nach oben durch die Kammer 24a und gelangt in das Gehäuse 30 des Umschaltventils 28. Durch das obere Ende 34 gelangt der Abgasstrom schließlich in den dritten Kanal 36, von v/o er über die beiden Sätze von Rohren 40a und 40b des Recuperators 38 streicht und dann in die Gasreinigungsvorrichtung 14 gelangt. Nach Durchtritt durch die Gasreinigungsvorrichtung 14 werden die Abgase durch den Schornstein 16 abgeführt. Der durch die geraden Pfeile angedeutete Frischluftstrom geht vom Gebläse 44 aus, welches die ·für die

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Verbrennung vorgesehene Frischluft aus der umliegenden Atmosphäre ansaugt und in die Kammer 42 drückt. Von hier strömt die Frischluft durch die Rohre 40a, die Kammer 46, die Rohre 40b, die Kammer 48 und den vierten Kanal 50 zum Auslaß 52. Der Schließteil 32 des Umschaltventils 28 lenkt den Frischluftstrom dann nach unten durch die zweite Kammer 44b des Regenerators 22. Von hier gelangt die Frischluft durch den zweiten Kanal 26b und den einen Gitterwerksschacht 20b in den Ofenraum 18.

Wenn der schieberartige Schließteil 32 in die in gestrichelten Linien angedeutete Stellung 32a verschoben ist, wird der Gasstrom durch die darunter befindlichen Kammern 24a und 24b umgekehrt, d.h. die durch den vierten Kanal zugeführte Frischluft strömt durch die Kammer 24a nach unten und durch den ersten Kanal 26a zum Ofen 12, während die Abgase durch den zweiten Kanal 26b den Ofen verlassen und durch die Kammer 24b nach oben in den dritten Kanal strömen.

Unter normalen Betriebsbedingungen wird aufgrund der vom Regenerator 22 und vom Recuperator 38 bewirkten zweistufi-. gen Kühlung die Temperatur der Abgase so weit herabgesetzt, daß keine Gefährdung der Gasreinigungsvorrichtung 14 eintreten kann. Um die Gasreinigungsvorrichtung 14 jedoch gegen Schaden zu schützen, die durch einen ungewöhnlichen und unerwarteten Anstieg der Abgastemperatur auftreten können, kann es wünsehenswert sein, ein Sicherheitsventil 54 im dritten Kanal 36 in Strömungsrichtung hinter dem Recuperator 38 vorzusehen. Dieses Sicherheitsventil 54 kann Außenluft in den Kanal 36 einlassen, falls die Abgastemperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet. Das Sicherheitsventil 54 kann auch verwendet werden, um die Temperatur der Abgase auf einem verhältnismäßig konstanten

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Wert zu halten, so daß auch der elektrische Widerstand der in den Abgasen enthaltenen Partikel im wesentlichen konstant bleibt. Dieses Merkmal ist dann vorteilhaft, wenn die Gasreinigungsvorrichtung 14 einen elektrostatischen Abscheider enthält.

Die Vorrichtung 10 ist außerdem vorzugsweise mit einer Leitung 56 versehen, durch welche Luftstöße oder Luftimpulse von einem Gebläse 58 in die Gasreinigungsvorrichtung 14 eingeleitet werden können. Das Gebläse 50 ist über eine Leitung 60 an eine bewegbare bzw. tragbare Hilfs-Heizvorrichtung 62 angeschlossen, die vorzugsweise, jedoch nicht notwendig mit Hilfe vor. Propangas beheizt wird. Eine weitere Leitung 64 führt vom ersten Satz Rohre 40a des Recuperators 48 zur Leitung 60. In den Leitungen 60 und 64 sind Ventile 66a und 66b angeordnet.

Die vorstehend erläuterte Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Bei Betriebsbeginn ist das Ventil 66b geschlossen und das Ventil 66a geöffnet. Die Hilfs-Heizvorrichtung 62 wird betrieben, um Außenluft zu erwärmen, die vom Gebläse 58 durch die Leitung 56 in die Gasreinigungsvorrichtung 14 befördert wird. Die Hilfs-Heizvorrichtung 62 wird sojlange benutzt, bis die Gasreinigungsvorrichtung 14 auf eine Temperatur erwärmt worden ist, die ausreichend hoch über dem Taupunkt liegt, und bis die Abgase genügend warm sind, um eine Kondensation zu vermeiden. Wenn dieser Betriebszustand erreicht ist, wird die Hilfs-Heizvorrichtung 62 abgeschaltet, das Ventil 66a geschlossen und das Ventil 66b geöffnet. Dann wird die für die Luftimpulse benötigte Luft von den ersten Rohren 40a des Recuperators 38 entnommen, so daß nunmehr das Vorerwärmen durch die in den Abgasen, welche durch den Recuperator 38 strömen, enthal-

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.tene Energie durchgeführt wird. Die Hilfs-Heizvorrichtung 62 kann dann abgebaut und an eine andere Stelle gebracht werden.

Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist die Anordnung eines Regenerators 42 und eines Recuperators 38 in der beschriebenen Weise, d.h. in Strömungsrichtung hintereinander. Auf diese Weise ist eine zweistufige Kühlung der Abgase auf eine Temperatur möglich, die im Sicherheitsbereich einer besonders v/irksamen Gasreinigungsvorrichtung liegt. Gleichzeitig wird die zugeführte Frischluft zweistufig erwärmt, zunächst im Recuperator 38 durch Konvektion und dann im Regenerator.42 dowell Strahlung, so daß die Frischluft eine höhere Temperatur als bisher möglich erhält. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Verbrennung im Regenerativofen 12 verbessert, so daß die Brennstoffzufuhr geringer werden kann und die Menge der.Verunreinigungen der in die Atmosphäre gehenden Gase ebenfalls verringert wird. Das Vorheizen der in die Gasreinigungsvorrichtung 14 eingeführten Luftimpulse mit Hilfe des Recuperators 38 macht es überflüssig, während des Betriebes ständig eine Hilfs-Heizvorrichtung zu verwenden. Auf diese Weise können sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten bedeutend gesenkt werden.

/Patentansprüche:

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Vorrichtung zum Aufheizen von vorzugsweise Regenerativöfen zuzuführenden Frischluft mit Hilfe der diese verlassenden und zu einer Gasreinigungsvorrichtung strömenden Abgase, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Reihe geschaltet regenerativ und recuperativ arbeitende Yfärmetauscheinrichtungen (42, 38) aufweist, welche die den Ofen (12) verlassenden Abgase in zwei Stufen abkühlen und die für den Verbrennungsvorgang in den Ofen eingeleitete Frischluft in zwei Stufen erwärmen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Regenerator (22) mit ersten und zweiten Kammern (24a bzw. 24b), die mittels jeweils einer Leitung (26a bzw. 26b) an gegenüberliegenden Seiten des Ofens (12) angeschlossen sind, ein Umschaltventil (28), das mit den ersten und zweiten Kammern und mit einem dritten Kanal (36) und einem vierten Kanal (50) in Verbindung steht, wobei der dritte Kanal (36) von diesem Umschaltventil zu einer Gasreinigungsvorrichtung (14) führt, die in einen Schornstein (16) mündet, und dieser dritte Kanal (36) einen Recuperator (3S) zwisehen dem Umschaltventil und der Gasreinigungsvorrichtung enthält, wobei der Frischluftteil des Recuperators mit dem Umschaltventil über den vierten Kanal (50) verbunden ist und wobei Einrichtungen (44) vorgesehen sind, um für Verbrennungszwecke bestimmte Frischluft dem Recuperator und von dort durch den vierten Kanal dem Umschaltventil zuzuführen, und wobei ferner Einrichtungen vorgesehen sind, um das Umschaltventil zwischen zwei Positionen zu verstellen, von denen die eine Position den Durchtritt von Abgas durch die erste Kammer (24a) in den dritten Kanal (36) und den Zustrom von. Frischluft

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   durch den vierton Kanal (50) und die zweite Kammer (24b) und den zweiten Kanal (26b) in den Ofen (12) zuläßt, während in der anderen Position die Abgase des Ofens (''£) durch den zweiten Kanal (26b) und die zweite Kammer (2-'-;b) in den dritten Kanal (36b) strömen, während die Zufuhr von Frischluft aus dem vierten Kanal (50) durch die erste Kammer (2Aa) und den ersten Kanal (26a) zum Ofor (12) erfolgt.

   3- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasreinigungsvorrichtuiig (14) eine rait FiItersäcken oder Filtertüchern ausgerüstete Vorrichtung (bag house) ist.

   h. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ii'i dritten Kanal (36) zwischen dem Becir.;.;,-rator (3B) und dor Gasreinigungsvorrichtung (14) eine Einrichtung (54) zur wan!weisen Zufuhr von Außenluft vor gesehen ist, irm die Temperatur der zur Gasreinigung?;'»'.-.rrichtung strömenden Gase zu steuern.

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Leitung (56) enthält,' du:oh Vielehe .in zu den Abgasen entgegengesetzter Richtung Frischluftimpulse in die Gasreinigungsvorrichtung (14) eingeleitet werden können.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfs-Heizvorrichtung (62) an die Leitung (^c) anzuschließen ist, um die Frischluft zu erwärmen, und daß Ventile (66a, 66b) vorgesehen sind, um wahlweise die Hilfs-Heizvorrichtung (62) oder den Recuperator (38) an die Leitung (56) anzuschließen.

   G/us