DE2519899B2

DE2519899B2 - Rekuperatoranlage

Info

Publication number: DE2519899B2
Application number: DE19752519899
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-05-03
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2519899A1; DE2519899C3; BE829801A; AT338843B; ATA633674A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rekuperatoranlage zum Vorwärmen von Heizgas und Verbrennungsluft für die Brenner von Winderhitzern für Hochöfen mit Hilfe von aus den Winderhitzern stammenden Rauchgasen.

Bei neuerlichen Hochöfen besteht das Bestreben, den Blaswind auf sehr hohe Temperaturen von etwa 1350 bis 1400⁰C 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 1650"C zu erreichen, wird dem zur Beheizung der Winderhitzer verwendeten Gichtgas ein vergleichsweise großer Anteil an einem Heizgas mit hohem Heizwert, beispielsweise Koksgas oder Erdgas, zugemischt, da mit dem aus dem Hochofenprozeß gewonnenen Gichtgas alleine wegen dessen niedrigen Heizwertes diese Temperaturen nicht erreicht werden können.

Zur Verminderung des unerwünschten Anteils eines Heizgases mit hohem Heizwert wurde bereits vorgeschlagen, die fühlbare 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 den Rauchgasstrom der Winderhitzer eingeschaltet sind. Dies hat jedoch nicht zum erwünschten Erfolg geführt, weil die Rauchgase die Winderhitzer mit einer vergleichsweise geringen Temperatur von üblicherweise 200 bis 400⁰C verlassen. Es wurde daher versucht (DT-AS 14 58 754), 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 der Rekuperatoren und andererseits unzulässige Temperaturüberschreitungen beachtet werden müssen. Ungleichmäßige Beheizungen führen nämlich zu Wärmespannungen und zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen, die zu Undichtigkeiten führen können.

Aus diesem Grunde ist es auch mit Hilfe der üblicherweise für solche Zwecke eingesetzten Nadeloder Röhrenrekuperatoren schwierig, einen anderen Vorschlag (OE-PS 2 42 720) zu verwirklichen, gemäß dem das von den Winderhitzern stammende Rauchgas zusätzlich erwärmt wird, bevor es seine Wärme in einer Rekuperatoranlage an das Heizgas und die Verbrennungsluft für die Brenner der Winderhitzer abgibt. Diese Vorwärmung des Rauchgases mit Hilfe von gesondert gespeisten Brennern läßt sich dabei in einfacher Weise in Abhängigkeit von den Temperaturen des bereits in der Rekuperatoranlage vorgewärmten Heizgases bzw. der bereits vorgewärmten Verbrennungsluft so regeln, daß das Heizgas und die Verbrennungsluft unabhängig von der Temperatur des Rauchgases einen bestimmten, vorteilhaften Temperaturwert annehmen. Um trotz der anzustrebenden, relativ kleinen Temperaturunterschiede zwischen dem Rauchgas einerseits und dem Heizgas bzw. der Verbrennungsluft andererseits von etwa 50 bis 100⁰C am warmen Ende der Rekuperatoranlage keine sehr ungleichmäßigen, zu mechanischen Zusatzspannungen im Werkstoff führenden Temperaturfelder auftreten zu lassen, muß für eine gleichmäßige Aufheizung sowohl des Heizgases als auch der Verbrennungsluft gesorgt werden, was aber in einer gemeinsamen, nach Art von Nadel- oder Röhrenrekuperatoren aufgebauten Rekuperatoranlage kaum erreichbar ist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Rekuperatoranlage zu schaffen, die mit einfachen konstruktiven Mitteln eine gleichmäßige Aufheizung sowohl des Heizgases als auch der Verbrennungsluft erlaubt, ohne daß bei niedrigen Rauchgastemperaturen die Gefahr von Taupunktunterschreitungen und daraus resultierende Korrosionen und bei höheren Rauchgastemperaturen zusätzliche mechanische Beanspruchun-

gen durch Wärmespannungen, die leicht zu Undichtigkeiten führen können, auftreten.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß der Rekuperator 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 Leitungssysteme für das Heizgas und die Verbrennungsluft liegen dabei in gleicher Weise über den Rauchgaszug verteilt in einem gemeinsamen Rauchgassirom, so daß eine gleichmäßige Vorwärmung des Heizgases und der Verbrennungsluft gewährleistet ist. Es treten daher weder zwischen dem Rauchgas und dem Heizgas bzw. der Verbrennungsluft größere, zu unangenehmen Temperaturspannungen im Rekuperatormaterial führende Temperaturunterschiede auf, noch zwischen dem Heizgas und der Verbrennungsluft.

Eine besonders einfache Konstruktion, die die beste Ausnützung der fühlbaren Abwärme des Rauchgases 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 90° 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. Durch die um 90° gegeneinander versetzte Anordnung der Leitungskanäle unmittelbar übereinanderliegender Rechteckrahmen wird nämlich ein Rauchgasstrom erzwungen, der gleichmäßig über alle Leitungskanäle verteilt ist, so daß die unmittelbar unterhalb eines Rahmens vorgesehenen Leitungskanäle den Rauchgasstrom von den Leitungskanälen dieses Rahmens nicht wegleiten können.

Weiter vereinfacht kann die Konstruktion werden, wenn die Rahmen der Wärmetauschereinheiten selbsttragend ausgebildet und unmittelbar aufeinander abgestützt sind., weil mit einer solchen Ausführung eigene Stützgerüste für die Rekuperatoranlage unnötig sind.

Um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Rauchgas und den aufzuheizenden Medien zu erreichen und größere Druckverluste der aufzuheizenden Medien zu vermeiden, ist 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.

Um den Wärmeinhalt der Rauchgase in der Rekuperatoranlage weitgehendst ausnützen zu können, ist den zu zwei gesonderten Leitungssystemen für das Heizgas und die Verbrennungsluft verbundenen Leitungskanälen in weiterer Ausbildung der Erfindung ein vorzugsweise mit Dampf aus der Hochofenkühlung gespeister Wärmetauscher vorgeschaltet. Durch das Erwärmen des Heizgases bzw. der Verbrennungsluft von 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.

Durch ein zusätzliches Aufheizen des Rauchgases vor dessen Eintritt in die Rekuperatoranlage kann die günstigste Rauchgastemperatur eingestellt werden, bei der einerseits die notwendige Vorwärmung des Heizgases und der Verbrennungsluft gewährleistet wird und andererseits die bei höheren Temperaturen auftretenden Schwierigkeiten und Wärmeverluste vermieden werden. Zweigen gemäß der Erfindung von den aus dem Rekuperator zu den Brennern für die Winderhitzer führenden Leitungen für die vorgewärmte Verbrennungsluft und das vorgewärmte Heizgas Stichleitungen zur Versorgung eines die für den Rekuperator bestimmten Rauchgase aufheizenden Brenners ab, so wird eine gesonderte Brennstoffzufuhr unnötig und es kann das Heizgas ohne Verstärkung durch ein hochwertiges Gas auch zum Aufheizen der aus den Winderhitzern kommenden Rauchgase verwendet werden.

Es zeigt sich somit, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Rekuperatoranlage ein besonders gleichmäßiges Aufheizen des Heizgases und der Verbrennungsluft ermöglicht wird, weil das Heizgas und die Verbrennungsluft in einem gemeinsamen Rauchgaszug erwärmt werden. Diese Ausbildung erlaubt nicht nur eine sehr günstige Ausnützung der fühlbaren Abwärme des Rauchgases, sondern bringt auch den zusätzlichen Vorteil sehr geringer Wärmeverluste mit sich.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Beheizen von Winderhitzern für Hochöfen mit einer erfindungsgemäßen, stehenden Rekuperatoranlage in schematischer Seitenansicht,

Fig. 2 eine solche Vorrichtung mit einer liegenden Rekuperatoranlage in schematischer Draufsicht unu

F i g. 3 die Anordnung der einzelnen Wärmetauschereinheiten in einer erfindungsgemäßen Rekuperatoranlage in einem auseinandergezogenen Schaubild.

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 Rauchgassammelleitung 2 münden Brenner 4, mit deren Hilfe das von den Winderhitzern 1 kommende Rauchgas geregelt auf eine gewünschte Temperatur aufgeheizt werden kann. Mit 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 vorgewärmt. Nach dem Austritt des Gichtgases und der Verbrennungsluft aus der Rekuperatoiranlage 3 werden diese für die Beheizung der Winderhitzer notwendigen Medien in Leitungen 5 und 6 gesondert den Brennern 7 für die Winderhitzer zugeleitet. Mit 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 Abwärme 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 6 Stichleitungen 8 und 9 zu den Brennern 4 geführt.

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 zusammengesetzt, wobei jede Wä'rmetauschereinheit 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 und den Rauchgaszug bilden. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind jedoch die Rahmen 11 der einzelnen Wärmetauschereinheiten auseinandergezogen und nicht aneinanderstoßend gezeichnet.

Die Leitungskanäle 12 unmittelbar benachbarter Rahmen 11 sind gegeneinander um 90° versetzt angeordnet, so daß jede zweite Wärmetauschereinheit 10 in der gleichen Richtung verlaufende Leitungskanäle 12 besitzt, während die dazwischenliegenden W-irmetauschereinheiten quer dazu verlaufende, jedoch untereinander ebenfalls parallele Leitungskanäle aufweisen. Die Wärmetauschereinheiten 10 mit den parallelen Leitungskanälen sind nun jeweils so miteinander verbunden, daß sie ein Leitungssystem für je eines der beiden aufzuheizenden Medien bilden. Zu diesem Zweck sind strichliert angedeutete Leitungsschächte 13 vorgesehen, die das Gichtgas bzw. die Verbrennungsluft von der einen Wärmetauschereinheit zu der entgegen der Strömungsrichtung des Rauchgases 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 für das Gichtgas durch die Leitungsschächte 13 nur an Rahmenseiten erfolgt, die senkrecht zu den die Leitungsschächte 13 für die Verbrennungsluft tragenden Rahmenseiten stehen. Es ergibt sich somit keinerlei Behinderung der alternierend auf der einen oder anderen Rahmenseite angeordneten Leitungsschächte 13 für das Gichtgas und die Verbrennungsluft.

Die Leitungskanäle 12, die vorzugsweise aus entsprechend gebogenen und zwischen zwei einander gegenüberliegenden Rahmenseitenwänden angeschweißt sind, wobei die Rahmenwändc natürlich entsprechende Durchtrittsöffnungen 14 besitzen, weisen einen langgestreckten Querschnitt auf, dessen Längsachse in Richtung des Rauchgasstromes verläuft. Es ergeben sich somit vergleichsweise große, in Richtung des Rauchgasstromes liegende Kanalwände, die einen guten Wärmeaustausch gewährleisten.

Um zu verhindern, daß die Wandtemperatur der Wärmetauschereinheit 10, in die das kühle Gichtgas bzw. die kühle Verbrennungsluft eintritt, durch die niedrige Eintrittstemperatur dieser Medien unter den Taupunkt des Rauchgases abgesenkt wird, was Korrosionen zur Folge haben kann, die im Falle einer dadurch entstehenden geringen Undichtigkeit in der Regel zu erheblichen Materialunterkühlungen an der Schadensstelle und zu raschem Fortschreiten der Zerstörung führen, wird das in die Rekuperatoranlage 3 eintretende Gas in einem der Rekuperatoranlage vorgeschalteten Wärmetauscher 15 entsprechend aufgewärmt. Zum Aufwärmen zumindest des Mediums, 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.

Die die Rekuperatoranlage 3 verlassenden Rauchgase werden über einen Kamin 17 abgeführt, wobei die Rauchgasführung durch Schieberventile 18 gesteuert werden kann.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmelauschereinheiten 10 können besonders günstige Verhältnisse erreicht werden, so daß trotz relativ kleiner Temperaturunterschiede zwischen dem Rauchgas einerseits und dem Gichtgas bzw. der Verbrennungsluft andererseits von etwa 50 bis 100⁰C 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. Hierbei bleibt üblicherweise der Kohlenwasserstoffanteil unter dem des Wasserstoffes wodurch eine Rußbildung unterdrückt wird.

Obwohl durch das erfindungsgemäße Verfahren im allgemeinen der Einsatz von größeren Mengen an hochwertigem Heizgas für die Beheizung der Winderhitzer nicht notwendig ist, kann zur besseren Temperaturregelung den Brennern 7 gesondert ein Heizgas mil hohem Heizwert zusätzlich zugeführt werden. Dies hai gegenüber einer Mischung des Gichtgases mit einerr Heizgas höheren Heizwertes den Vorteil, daß jedei Winderhitzer für sich geregelt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rekuperatoranlage zum Vorwärmen von Heizgas und Verbrennungsluft für die Brenner von Winderhitzern für Hochöfen mit Hilfe von aus den Winderhitzern stammenden Rauchgasen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekuperator aus einzelnen Wärmetauschereinheiten (10) zusammengesetzt ist, deren Leitungskanäle (12) für das Heizgas bzw. die Verbrennungsluft in geschlossenen Rahmen (H) gehalten sind, die stirnseitig aneinanderstoßen und den Rauchgaszug bilden, wobei die die Rahmenwände durchsetzenden L.eitungskanäie (12) der einzelnen Wärmetauschereinheiten (10) zu zwei gesonderten Leitungssystemen für das Heizgas und die Verbrennungsluft verbunden sind.

2. Rekuperatoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (11) der Wärmetauschereinheiten (10) rechteckige Form besitzen, wobei die Leitungskanäle (12) der einzelnen Rahmen

(11) parallel zu einem Rechteckseitenpaar angeordnet sind, daß die Leitungskanäle (12) unmittelbar benachbarter Rahmen (11) gegeneinander um 90° versetzt verlaufen und daß die Leitungskanäle (12) der Rahmen (11) mit den parallelen Leitungen (12) jeweils zu einem der beiden Leitungssysteme für das Heizgas und die Verbrennungsluft verbunden sind.

3. Rekuperatoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (11) der Wärmetauschereinheiten (10) selbsttragend ausgebildet und unmittelbar aufeinander abgestützt sind.

4. Rekuperatoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungskanäle (12) einen langgestreckten Querschnitt mit in Richtung des Rauchgasstromes verlaufender Längsachse besitzen.

5. Rekuperaioranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den zu zwei gesonderten Leitungssystemen für das Heizgas und die Verbrennungsluft verbundenen Leitungskanälen

(12) ein vorzugsweise mit Dampf aus der Hochofenkühlung gespeister Wärmetauscher (15) vorgeschaltet ist.

6. Rekuperatoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den aus dem Rekuperator (3) zu den Brennern (7) für die Winderhitzer (1) führenden Leitungen (5, 6) für die vorgewärmte Verbrennungsluft und das vorgewärmte Heizgas Stichleitungen (8, 9) zur Versorgung eines die für den Rekuperator (3) bestimmten Rauchgase aufheizenden Brenners (4) abzweigen.