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Vereinigte Österreichische Eisen- und Stahlwerke - Alpine @ontan Aktiengesellschaft,
Wien (Österreich) Verfahren zum Beheizen von srinderhitzern für Hochöfen und Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen
von Winderhitzern für Hochöfen, bei dem das Heizgas und die Verbrennungsluft für
die Brenner der Winderhitzer mit Hilfe deren Rauchgase in einer Rekuperatoranlage
vorgewärmt werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei neueren Hochöfen besteht das Bestreben, den Blaswind auf sehr
hohe Temperaturen von etwa 1350 bis 14000 C vorzuwärmen und den Hochofenprozeß unter
weitgehender Ausnutzung des Satzkokses so zu führen, daß der Heizwert des anfallenden
Gichtgases niedrig bleibt. Um die für die hohen Blaswindtemperaturen erforderlichen
Kuppeltemperaturen der Winderhitzer von 1550 bis 16500 C zu erreichen, muß dem zur
Beheizung der Winderhitzer verwendeten Gichtgas ein vergleichsweise großer Anteil
von einem Heizgas mit hohem Heizwert, beispielsweise Koksgas oder Erdgas, zugemischt
werden, da mit dem aus dem Hochofenprozeß gewonnenen Gichtgas deine wegen dessen
nirigen Heizwertes diese Temperaturen nicht erreicht werden könn
Zur
Verminderung des unerwünschten Anteils eines Heizgases mit hohem Heizwerk wurde
bereits vorgeschlagen, die ffihlbare Abwärme der Rauchgase der Winderhitzer zur
Vorwärmung, insbesondere der Verbrennungsluft für die Brenner der Winderhitzer,
auszunützen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, das Gichtgas bzw. die Verbrennungsluft
in Rekuperatoren vorzuwärmen, die in dem Rauchgasstrom der Winderhitzer liegen Dies
hat Jedoch nicht zum erwünschten Erfolg geführt, da die Rauchgase die Winderhitzer
init einer vergleichsweise geringen Temperatur von üblicherweise 200 bis 40000 verlassen.
Es wurde daher vorgeschlagen (DT-AS 1 OB 5C5), das Gichtgas und die Verbrennungsluft
für die Beheizung der Winderhitzer nicht in Pekuperatoren, sondern in Regeneratoren
nit Hilfe der rauchgase der Winderhitzer vorzuwärmen, wobei die Gitterwerke der
vinderhitzer verkürzt ausgebildet werden, und der abgetrennte Teil als separater
Regenerator dient.
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Dadurch wird eine vergleichsweise große PLauchgasterflperatur für
die Regeneratoren erreicht, was eine hinreichende Vorwärmung des Gichtgases bzw.
der Verbrennungsluft gewährleistet. Neben dem konstruktiven Aufwand ist dabei als
TIachteil anzusehen, daß die fühlbare Wärme der Rauchgase nicht im erwünschten taß
für die Aufheizung der -Tinderhitzer ausgenützt werden kann und das Gitterwerk der
Winderhitzer verkürzt werden muß.
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Es ist daher vorgeschlagen worden (DT-AS Nr. 1 458 754), das Gichtgas
nicht mit Hilfe der Rauchgase der Winderhitzer, sondern mit einem Teil des aus einem
Winderhitzer stammenden heißen Blaswindes in Rekuperatoren vorzuwärmen. Der Betrieb
von Rekuperatoren mit heißem Blaswind ist aber problematisch, da einerseits die
Zundergrenze des verwendeten Materials für die Rekuperatoren und anderseits unzulässige
Temperaturüberschreitungen beachtet werden rnüssen. Ungleichmäßige Beheizungen führen
nämlich zu Wärmespannungen und zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen, die zu
Undichtigkeiten führen können.
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Der Erfindung liegt daher die rufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mit dem der ainsatz eines hochwertigen Heizgases zur aufheizung der Winderhitzer
weitgehend unnötig ist, und das unter möglichster Ausnützung der Abwärme der Rauchgase
der Winderhitzer ohne deren konstruktive Änderung eine ausreichende Vorwärmung des
Heizgases und der Verbrennungsluft für die Brenner dei Winderhitzer in Rekuperatoranlagen
erlaubt.
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Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art lost
die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, daß die von den Winderhitzern kommenden
Bauchgase vor ihren Eintritt in die Rekuperatoranlage mittels wenigstens eines Brenners
aufgeheizt werden der vorzugsweise mit einem Teil des in der Rekuperatoranlage vorgewärmten
Heizgases und einem Teil der vorgewärmten Verbrennungsluft gespeist wird. Durch
das zusätzliche Aufheizen der Rauchgase vor deren Eintritt in die Rekuperatoranlage
kann die günstigste Rauchgastemperatur eingestellt werden, bei der einerseits die
notwendige Vorwärmung des Heizgases und der Verbrennungsluft gewährleistet wird
und anderseits die bei höheren Temperaturen auftretenden Schwierigkeiten und Wärmeverluste
vermieden werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn zum Aufheizen der Rauchgase ein
Teil des bereits vorgewärmten Heizgases und der vorgewärmten Verbrennungsluft Verwendung
findet, da mit dieser Maßnahme eine gesonderte Brennstoffzufuhr unnötig ist und
das Gichtgas ohne Verstärkung durch ein hochwertiges Heizgas auch zum Aufheizen
der aus den çinderhitzern kommenden Rauchgase verwendet werden kann.
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Fine besonders gleichmäßige Aufheizung des Heizgases und der Verbrennungsluft
ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß das Heizgas und die Verbrennungsluft
in einem gemeinsamen Rauchgaszug erwärmt werden, was den zusätzlichen Vorteil sehr
geringer Wärmeverluste mit sich bringt.
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Um den Wärmeinhalt der Rauchgase in der Rekuperatoranlage weitgehendst
ausnützen zu können, wird in weiterer
Ausbildung des Verfahrens
nach der Erfindung das Heizgas bzw0 die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die
Rekuperatoranlage zum Verhindern einer Unterschreitung des Taupunktes des Rauchgase
erwärmt, wobei in vorteilhafter Weise zur 3rwarmung der bei der HochoSenMlhlung
anfallende Dampf Verwendung finden kann. Durch das Erwärmen des Heizgases bzw.
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der Verbrennungsluft vor ihrem Eintritt in die Rekuperatoranlage wird
verhindert, daß sich die Wärmetauscherflächen im Bereich des in die Rekuperatoranlage
eintretenden Gases unter den Taupunkt des Rauchgases abkühlen, wenn das Rauchgas
selbst bereits entsprechend abgekühlt ist.
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Um eine gleichmäßige Aufheizung sowohl des Heizgases als auch der
Verbrennungsluft mit einfachen konstruktiven Mitteln zu erreichen, wird nach der
Erfindung vorgeschlagen, daß die Rekuperatoranlage aus einzelnen Wärmetauschereinheiten
zusammengesetzt ist, deren Leitungskanäle für das Heizgas bzw. die Verbrennungsluft
in geschlossenen Rahmen gehalten sind, die stirnseitig aneinanderstoßen und den
Rauchgaszug bilden, wobei die die Rahmenwände durchsetzenden Leitungskanäle der
einzelnen Wärmetauschereinheiten zu zwei gesonderten Leitungssystemen für das Heizgas
und die Verbrennungsluft verbunden sind. Durch das Aneinanderreihen der geschlossenen
Rahmen wird mit einfachsten Mitteln ein Rauchgaszug erhalten, in dem quer zur Strömungsrichtung
des Rauchgases die Leitungskanäle für das Heizgas und die Verbrennungsluft angeordnet
sind. Die gesonderten Leitungs systeme für das Heizgas und die Verbrennungsluft
liegen dabei in einem gemeinsamen Rauchgasstrom, so daß eine gleichmäßige Vorwärmung
des Heizgases und der Verbrennungsluft gewährleistet ist.
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Eine besonders einfache Konstruktion, die die beste Ausnützung der
fühlbaren Abwärme der Rauchgase mit sich bringt, wird nach der Erfindung dadurch
erreicht, daß die Rahmen der Wärmetauschereinheiten rechteckige Form besitzen, wobei
die Leitungskanäle der einzelnen Rahmen parallel zu einem Rechteckseitenpaar angeordnet
sind,
daß die Leitungskanäle unmittelbar benachbarter Rahmen gegeneinander
um a00 versetzt verlaufen und daß die Leitungskanäle der Rahmen mit den parallelen
Leitungen jeweils zu einem der beiden Leitungssysteme für das Heizgas und die Verbrennungsluft
verbunden sind. Die Rahmen der l;srmetauschereinheiten können dabei vorteilhafterweise
selbsttragend ausgebildet und unmittelbar aufeinander abgestützt sein, so daß eigene
Stützkonstruktionen fjjr die Rekuperatoranlage unnötig sind.
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Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Rauchgas und den aufzuheizenden
Medien zu erreichen und größere Druckverluste der aufzuheizenden Medien zu vermeiden,
ist schließlich nach der Erfindung vorgesehen, daß die Leitungskanäle einen langgestreckten
Querschnitt mit in Richtung des Rauchgasstromes verlaufender Längsachse besitzen.
In Richtung des Rauchgasstromes ergeben sich durch den besonderen Querschnitt der
Leitungskanäle vergleichsweise große Flächen, die einen guten Wärmeaustausch ermöglichen.
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In der Zeichnung sind Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Beheizen von Winderhitzern für Hochöfen mit einer stehenden Rekuperatoranlage in
schematischer Seitenansicht, Fig. 2 eine solche Vorrichtung mit einer liegenden
Rekuperatoranlage in schematischer Draufsicht und Fig. 3 die Anordnung der einzelnen
Wärmetauschereinheiten in einer erfindungsgemäßen Rekuperatoranlage in einem auseinandergezogenen
Schaubild.
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Die aus den Winderhitzern 1 einer Hochofenanlage austretenden Rauchgase,
deren Strömungsweg strichpunktiert angedeutet ist, werden über eine Rauchgassammelleitung
2 einer Rekuperatoranlage 3 zugeführt. In diese Rauchgase sammelleitung 2 münden
Brenner 4, mit deren Hilfe das von den Winderhitzern 1 kommende Rauchgas geregelt
auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann. rIit Hilfe dieses aufgeheizten
Rauchgasstromes wird in der Rekuperatoranlage 3 Gichtgas, dessen Strömungsweg mit
vollen Linien
angedeutet ist, und Verbrennungsluft, deren Weg strichliert
eingezeichnet ist, in zwei getrennten Leitungssystemen vo-rge¢irmtO Nach dem Austritt
des Gichtgases und der Verbrennungsluft a.us der Rekuperatoranlage 3 werden diese
für die Beheizung der ltinderhitzer notweneigen Medien in Leitungen 5 und 6 gesondert
den Brennern 7 für die Winderhitzer zugeleitet. Hit Hilfe der durch die Verbrennung
des Gichtgases mit der Verbrennungsluft in den Brennern 7 entstehenden Rauchgase,
die auf Grund der Vorwärmung des Gichtgases und der Verbrennungsluft eine entsprechend
hohe Temperatur besitzen, werden die Winderhitzer 1 aufgeheizt, wobei die Abwarme
der aus den Winderhitzern austretenden Rauchgase für die Vorwärmung des Gichtgases
und der Verbrennungsluft verwendet wird. Da diese Abwärme für die erforderliche
hohe Vorwärmung des Gichtgases und der Verbrennungsluft nicht ausreicht, werden
die Rauchgase mit Hilfe der Brenner 4 zusätzlich aufgeheizt, die in vorteilhafter
Weise mit einem Teil des in der Rekuperatoranlage vorgewärmten Heizgases und einem
Teil der vorgewärmten Verbrennungsluft gespeist werden. Zu diesem Zweck sind von
der Gichtgasleitung 5 und der Verbrennungsluftleitung 5 Stichleitungen 8 und 9 zu
den Brennern 4 geführt.
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Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Gichtgases und der Verbrennungsluft
mit sehr einfachen konstruktiven Mitteln zu erreichen, ist die Rekuperatoranlage
zur Vorwärmung des Gichtgases und der Verbrennungsluft aus einzelnen Wärmetauschereinheiten
10 O zusammengesetzt, wobei jede Wärmetauschreinheit aus einem geschlossenen Rahmen
11 besteht, der rechteckige Form besitzt und zwischen zwei einander gegenüberliegenden
Wänden die Leitungskanäle 12 für die aufzuheizenden Medien trägt. Die einzelnen
Wärmetauschereinheiten sind so zusammengesetzt, daß die Rahmen 11
stirnseitig
aneinanderstoßen unC den Rauchgaszug bilden. Wegen der besseren Übersichtlichkeit
sind jedoch die Rahmen 11 der einzelnen Wärmetauschereinheiten auseinandergezogen
und nicht einanderstoßend gezeichnet.
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Die Leitungskanäle 12 unmittelbar benachbarter Rahmen 11 sind gegenein?nder
um 90 versetzt angeordnet, so daß jede zweite Wärmetasuchereinheit 10 in der gleichen
Richtung verlaufende Leitungskanäle 12 besitzt, während die dazwischenliegenden
Wärmetauschereinheiten quer dazu verlaufende, jedoch untereinander ebenfalls parallele
Leitungskanäle aufweisen. Die Wärmetauschereinheiten 10 mit den parallelen Leitungskanälen
sind nun jeweils so niteinander verbunden, daß sie ein Leitungssystem fiir je eines
der beiden aufzuheizenden TIedien bilden.
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Zu diesem Zweck sind strichliert angedeutete Leitungsschäcnte 13 vorgesehen,
die das Gichtgas bzw. die Verbrennungsluft von der einen Wärmetauschereinheit zu
der entgegen der Strömungsrichtung des Rauchgase nächsten Wärmetauschereinheit mit
gleichgerichteten Leitungskanälen leiten. Durch die Versetzung der Leitungskanäle
unmittelbar aufeinanderfolgender Wärmetauschereinheiten um 90° wird nicht nur eine
sehr gleichmäßige Erwärmung der einzelnen aufzuheizenden Medien, sondern auch eine
einfache Konstruktion der Rekuperatoranlage erreicht, weil die Verbindung der einzelnen
Wärmetauschereinheiten fiir das Gichtgas durch die Leitungsschächte 13 nur an Rahmenseiten
erfolgt, die senkrecht zu den die Leitungsschächte 13 für die Verbrennungsluft tragenden
Rahmenseiten stehen.
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Es ergibt sich somit keinerlei Behinderung der alternierend auf der
einen oder anderen Rahmenseite angeordneten Leitungsschächte 13 für das Gichtgas
und die Verbrennungsluft.
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Die Leitungskanäle 12, die vorzugsweise aus entsprechend gebogenen
und zwischen zwei einander gegendberliegenden Rahmenseitenwänden angeschweißt sind,
wobei die
Rahmenwände natürlich entsprechende Durchtrittsöffnungen
14 besitzen, weisen einen laggestreckten Querschnitt auf, dessen Längsachse in Richtung
des @auchgasstromes verläuft.
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Es ergeben sich sorbit vergleichsweise große, in Richtig des Bauchgasstromes
liegende Kanalwände, die einen guten Wärmeaustausch gewährleisten.
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IJIs zu verhindern, daß die Wandtemperatur der Wärmetauschereinheit
10, in die das kühlc Gichtgas bzw. die kühle Verbrennungsluft eintritt, durch die
niedrige Eintrittstemperatur dieser Medien unter den Tau punkt des Rauchgase abgesenkt
wird, was Korrosion zur Folge haben kann, die im Falle einer dadurch entstehenden
geringen Undichtigkeit in der Regel zu erheblichen Materialunterkühlungen an der
Schadens stelle und zu raschem Fortschreiten der Zerstörung führen, wird das in
die Rekuperatoranlage 3 eintretende Gas in eine der Rekuperatoranlage vorges chalteten
Wärmetauscher 15 entsprechend aufgewärmt. Zum Aufwärmen zumindest des Tlediums,
das in die in Richtung des Rauchgasstromes letzte Wärmetauschereinheit, also im
Bereich der niedrigsten Rauchgastemperatur, eingeleitet wird, kann vorzugsweise
der bei der Hochofenkühlung anfallende Dampf verwendet werden, was in der Zeichnung
durch den Pfeil 16 angedeutet wird.
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Die die Rekuperatoranlage 3 verlassenden Rauchgase werden iiber einen
Kamin 17 abgeführt, wobei die Rauchgasführung durch Schieberventile 18 gesteuert
werden kann.
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Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheiten
10 können besonders günstige Verhältnisse erreicht werden, so daß trotz relativ
kleiner Temperaturunterschiede zwischen dem Rauchgas einerseits und dem Gichtgas
bzw. der Verbrennungslüft anderseits von etwa 50 bis 100°C am warmen Ende der Rekuperatoranlage
keine sehr ungleichmäßigen, zu mechanischen Zusatzspannungen
im
Werkstoff führenden Temperaturfelder auftreten. Die glattflächigen Leitungskanäle
12 lassen sich gut reinigen und ergeben keine großen Druckverluste. Dabei können
bei Bedarf auch in dem Leitungssystem für das Gichtgas bzw. die Verbrennungsluft
'Rußbläser angeordnet sein. In der Regel wird dies jedoch nicht notwendig sein,
weil weder mit der Verbrennungsluft noch mit dem Gichtgas viel staub eingetragen
wird, zumal lediglich heizwertarmes Gichtgas verwendet wird, dem nur geringe mengen
an beispielsweise Erdgas beigemischt sind, wie es zur Kühlung bzw. Reinhaltung empfindlicher
Teile des Gichtverschlusses in der Gicht eingeschleust wird. Hiebei bleibt üblicherweise
der Kohlenwasserstoffanteil unter dem des Wasserstoffes, wodurch eine Rußbildung
unterdrückt wird.
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Obwohl durch das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen der Einsatz
von großeren Mengen an hochwertigem Heizgas für die Beheizung der Winderhitzer nicht
notwendig ist, kann zur besseren Temperaturregelung den Brennern 7 gesondert ein
Heizgas mit hohem Ileizwert zusätzlich zugefiihrt werden. Dies hat gegenfiber einer
Mischung des Gichtgases mit einem Heizgas höheren Heizwertes den Vorteil, daß jeder
Winderhitzer .fisr sich geregelt werden kann.