DE2711918A1

DE2711918A1 - Elektroofen und verfahren zur abwaermerueckgewinnung

Info

Publication number: DE2711918A1
Application number: DE19772711918
Authority: DE
Inventors: Koichi Horibe; Tokuji Machida; Minori Watanabe
Original assignee: JOETSU DENRO KOGYO CO Ltd
Current assignee: JOETSU DENRO KOGYO CO Ltd
Priority date: 1976-08-24
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1978-03-02
Also published as: CA1076180A; SE7703722L; US4099019A

Description

Elektroofen und Verfahren zur Abwärmerückgewinnung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückgewinnung der Abwärme aus elektrischen Öfen, deren Abgase einen hohen Staubgehalt aufweisen oder bei relativ niedrigen Temperaturen stark korrodierend wirken. Die Rückgewinnung von Abwärme aus solchen Öfen ist mit den herkömmlichen Verfahren sehr schwierig.

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen zur Rückgewinnung von Abwärme aus den verschiedensten Arten von elektrischen Öfen, wie Carbidöfen, Eisenlegierungsöfen und elektrische Schmelzöfen, vorgeschlagen worden. In diesem Zusammenhang bedeutet die Rückgewinnung von Abwärme nicht bloß das Kühlen des Ofens zur Verhinderung der Überhitzung bestimmter Konstruktionsteile oder aus anderen Verfahrensgründen, sondern die Rückgewinnung wertvoller Wärme, die andernfalls verloren ginge.

Beispiele für bekannte Lösungen zur Wärmerückgewinnung sind ein Verfahren, bei dem man die Hochtßmpjeraturzone (die eine Tem-

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telekopiersr

peratur von iaehrercm hundert Grad Celsius erreichen kann) im oberen Teil des elektrischen Ofens als wassergekühlte Doppelwand ausbildet und das verv/endete Kühlwasser auf eine Temperatur von über 100 G erhitzt, wodurch die Wärme in Form von Heißwasser oder Dampf rückgewonnen wird, und ein Verfahren, bei dem man staubbeladenes Abgas, das eine Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius besitzt, direkt in einen Heißwasser- oder Dampferzeuger einspeist.

Bei diesen Verfahren kommt es jedoch zu großen Temperaturschwankungen des Elektroofenabgases, wenn man den Innendruck der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung unterhalb Atmosphärendruck hält, wobei es insbesondere im Fall von Blaseöfen zu einem scharfen Temperaturanstieg des Abgases kommt. Aus diesen Gründen wird die Temperatur des rückgewonnenen Kühlwassers in allgemeinen auf Temperaturen von 40 bis 50⁰C erniedrigt, was die Rückgewinnung einer außerordentlich geringen Menge verwertbarer Wärme bedeutet. Um eine Erhöhung der Menge an verwertbarer rückgewonnener Wärme zu ermöglichen, muß der Innendruck der Rückgewinnungsvorrichtung größer als Atmosphärendruck gehalten werden; hierdurch wird jedoch die für einen sicheren Betrieb der Vorrichtung erforderliche Beherrschung sehr schwierig, wobei darüber hinaus solche Vorrichtungen bestimmten gesetzlichen Bestimmungen und Kontrollen bezüglich "Boilern" oder "Druckbehältern" unterliegen. Aus diesem Grund sind periodische Unterbrechungen des Ofenbetriebes für die Wartung und Inspektion der Wärmerückgewinnungsvorrichtung erforderlich, was sich in einer erheblich verminderten Produktivität des elektrischen Ofens selbst niederschlägt.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß sich der in dem Abgas enthaltene Staub auf den Konstruktionsteilen absetzt, und wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit dieses Staubes ist es erforderlich, den Wärmeübergangsbereich der Wärmerückgewinnungsvorrichtung zu vergrößern, was wiederum zu einer Vergrößerung der Vorrichtung als ganzes führt. Verwendet man einen Mehrfachröhr en-Wärmeaustauscher oder dergl. zur Verkleinerung der Vorrichtung, so erfordert dies in großem Umfang und teure Ausrüstungen sowie mühsame Verfahrensschritte zur Entfernung des

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Staubes, der sich in den Wärmeaustauschern oder dergl. rasch ansammelt.

Die Erfindung betrifft nun eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Abwärme, die frei von den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ist, und mit der sich ein Maximum an Rückgewinnung verwertbarer Wärme erreichen läßt, ohne die Produktionskapazität des elektrischen Ofens selbst herabzusetzen.

Insbesondere beruht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rückwinnung von Abwärme, die zur Verwendung in Verbindung mit elektrischen Öfen gedacht ist, die mit großen Staubmengen beladene heiße Abgase abgeben, in erster Linie auf der Wärmerückgewinnung unter Verwendung von Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten bei einer Temperatur unterhalb des Siedepunktes dieser Flüssigkeiten, und bei Atmosphärendruck, und sekundär auf der Wärmerückgewinnung derart, daß man das staubbeladene Abgas nach der ersten Wärmerückgewinnung durch eine Kammer leitet, deren Innenflächen staubabweisend sind und/oder leicht von abgelagertem Staub zu reinigen sind, während man gleichzeitig Luft oder ein anderes Gas als Wärmeaustauschermedium an den Außenflächen, bei einer Temperatur, die über dem Siedepunkt von Wasser liegt, entlang führt. Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit oder ein Teil des Wassers (oder einer anderen Flüssigkeit), das der ersten Wärmerückgewinnungsstufe unterworfen worden ist, mit Luft (oder einem anderen gasförmigen Medium) erhitzt wird, die der zweiten Wärmerückgewinnungs stufe unter Verwendung eines Wärmeaustauschers oder Boilers unterworfen worden ist, wodurch man sehr heiße Flüssigkeiten, z.B. Wasser, bzw. Dampf, erhält.

Die Erfindung betrifft somit die Rückgewinnung verwertbarer Wärme aus elektrischen Öfen unter Anwendung von zwei Rückgewinnungssystemen. Die erste Wärmerückgewinnung erfolgt unter Verwendung von flüssigem Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten und wird so durchgeführt, daß die Temperatur der Flüssigkeit den Siedepunkt bei Atmosphärendruck nicht übersteigt. Die zweite Wärmerückgewinnung erfolgt dureh. indijuBjcten Wärmeaustausch zwi-

sehen dem Abgas des Ofens und einem gasförmigen Kühlmedium und wird so durchgeführt, daß das gasförmige Medium auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes der Kühlflüssigkeit erhitzt wird. Die Gesamtheit oder ein Teil der Kühlflüssigkeit wird dann durch das gasförmige Medium erhitzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine AuS-führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der Figur beziehen sich die Bezugszeichen 1 bis 10 auf Teile der ersten Wärmerückgewinnungsstufe, die Bezugszeichen 11 bis 17 auf Teile der zweiten Wärmerückgewinnungsstufe, und die Bezugszeichen 18 bis 22 auf Teile der letzten Wärmerückgewinnungsstufe. Im einzelnen bedeutet das Bezugszeichen 1 einen inneren Konstruktionsteil des Ofens, der einer direkten Kühlung unterliegt, z.B. die Elektroder^lattierung, 2 eine Haube oder Ofenabdeckung und 10 eine Abgasleitung in der Ofenabdeckung. Die Teile 2 und 10 sind durch Wärmeisolierschichten geschützt und werden mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten gekühlt, die in Wärmeaustausch mit der Wärmeisolierung stehen. Die Einspeisung der Kühlflüssigkeit zum Teil 1 über die Leitung 3 erfolgt mittels einer Pumpe. Zur Steigerung der Austrittstemperatur des Wassers oder der anderen Flüssigkeiten werden das Wasser oder die anderen Flüssigkeiten, die zur Kühlung des direkt gekühlten Teils 1 verwendet worden sind, in einen gegenüber der Atmosphäre offenen Sammeltank 4 geleitet, und die in dem Tank 4 enthaltene Flüssigkeit wird -vollständig oder teilweise durch Betätigung der Pumpe 5 durch die Leitung 6 in die isolierten Abschnitte 2 und 10 eingespeist. Die Steuerung des Flüssigkeitsstromes erfolgt über einen Temperatur- und Fließregler 9. Diese Steuereinrichtung 9 öffnet ein "V entil zur Rückspeisung der Flüssigkeit in den Tank 4, und der Tank 4 besitzt einen Überlauf 4a zum Ablauf von Überschußflüssigkeit. Nachdem das Wasser (oder die andere Kühlflüssigkeit) die Abschnitte 2 und 10 gekühlt hat, fließt es über die Leitung 7 in einen anderen Sammeltank 8, der ebenfalls offen gegenüber der Atmosphäre ist. Die Steuereinrichtung 9 besitzt Einrichtungen zur Messung der Flüssigkeitstemperatur im Tank 8.

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Die Verwendung von Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten bringt Probleme bezüglich der Festigkeit der mechanischen Teile, die lokaler Überhitzung oder durch Verdampfen der Flüssigkeit bedingten Innendruckerhöhungen widerstehen müssen, und hinsichtlich der Zugänglichkeit für Wartung, Inspektion und Reparatur mit sich. Zur Lösung dieser Probleme verwendet man im allgemeinen ein Heißwasserboilersystem unter Verwendung von Wasser mit einer Temperatur oberhalb des Siedepunktes unter Atmosphärendruck, oder ein Dampfboilersystem unte r Verwendung von Dampf für die Wärmerückgewinnung in den problemhaften Abschnitten. Trotzdem bedarf es noch der Lösung zahlreicher Probleme, um eine für die Praxis voll brauchbare Anwendung dieser Systeme zu erreichen. So kommt es z.B. zu Problemen wegen lokaler Überhitzung, insbesondere bei der komplizierten Elektrodenplattierung-Kühleinheit 1, und weiterhin bestehen die praktischen Probleme bezüglich der gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich der Verwendung von "Boilern" oder "Druckbehältern". Darüber hinaus vermag ein Kühlsystem, das mit einem anderen Kühlmedium als Wasser arbeitet, z.B. mit Luft, einem raschen Temperaturanstieg, der durch Blasen oder Strahlungswärme der Ofenwände bedingt ist und bis nahe an 1000⁰G ansteigen kann, nicht in ausreichendem Maß Rechnung tragen, und zwar wegen der geringen spezifischen Wärme dieser gasförmigen Kühlmedien oder aus anderen Gründen.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die von diesen Teilen abgegebene Wärme rückgewonnen durch Steuerung der Temperatur der Kühlflüssigkeit, die durch die Teile 1 bis 10 zirkuliert, so daß der normale Maximalwert der Kühlflüssigkeit unterhalb des Siedepunktes von Wasser oder der anderen verwendeten Kühlflüssigkeit, jeweils bei Atmosphärendruck, liegt, oder rückgewonnen bei einer Temperatur, die so nahe wie möglich beim Siedepunkt, jedoch innerhalb desjenigen Bereiches liegt, der keine Probleme bezüglich der Betriebssicherheit mit sich bringt, um die Rückgewinnung verwertbarer Wärme durch Steigerung der Austrittstemperatur so groß wie möglich zu machen. Erfindungsgemäß umfaßt dieser Betrieb die erste Wärmerückgewinnungsstufe. Um die Temperatur der Kühlflüssigkeit so nahe wie möglich beim

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Siedepunkt zu halten, wird die aus dem direkt gekühlten Teil 1 austretende Flüssigkeit ganz oder teilweise durch die Abschnitte 2 und 10 geleitet, die durch Wärnieisolierungsschichten geschützt sind. Diese isolierten Abschnitte 2 und 10 haben aufgrund der Wärmekapazität der Wärmeisolierung die Funktion, die durch einen schnellen Anstieg der Temperatur des Abgases oder der Ofenwandung während des Blasens oder anderer Vorgänge verursachte Temperaturänderung abzuschwächen und auszugleichen, so daß die Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit in diesen Bereichen leicht und sicher durch den Temperatur- und Fließregler 9 gesteuert werden kann.

In der zweiten Stufe der Wärmerückgewinnung wird der Strom 11 aus dem staubbeladenen Gas, der aus der Leitung 10 austritt und die erste Wärmerückgewinnungsstufe durchlaufen hat, durch die innere Röhre (oder Röhren) eines Wärmeaustauschers 12 geleitet, wobei die Innenwand des Rohres aus wärmebeständigem Stahlblech besteht und kreisförmige oder quadratische Gestalt besitzt, um die Staubhaftung so gering wie möglich zu halten und um eine leichte Entfernung von gleichwohl abgesetztem Staub zu ermöglichen. Gleichzeitig wird ein Strom 13 aus Luft oder einem anderen gasförmigen Wärmeaustauschfluid, der nur wenig oder keinen Staub enthält, mittels eines Gebläses als Wärmeaustauschmedium entlang der äußeren Seite (Außenhaut) des Wärmetauschers geführt. Die Luft oder das andere Fluid 13 wird im Wärmetauscher auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes der Flüssigkeit im Tank 8 erhitzt und tritt bei 14 aus. Der Strom 15 des Elektroofenabgases wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der der Abgas-Staubscheider (nicht dargestellt) und andere Einrichtungen wirkungsvoll betrieben werden können, die jedoch höher als diejenige Temperatur ist, bei der das Abgas ernsthafte Korrosionsprobleme mit sich bringt. Auf diese Weise wird die zweite Wärmerückgewinnungsstufe durchgeführt.

Es sind verschiedene Systeme, wie Heißwasserboilersysteme oder Dampfboilersysteme zur Wärmerückgewinnung in dem Bereich oder den Abschnitten, einschließlich Abgasleitung 10 und Wärmetauscher 12, konstruiert worden; diese bekannten Systeme sind jedoch

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mit verschiedenen Problemen verknüpft, die von der durch Ablagerung von Staub auf der Innenwand der Gasaustritsseite des Elektroofens, wie vorstehend beschrieben, verursachten Belastung herrühren. Da es auch erforderlich ist, die Abgastemperatur über den Wert zu steigern, bei dem eine merkliche Korrosion stattfindet, wird die Temperatur des Heizmediums auf der Boilerseite ebenfalls erhöht, was eine Erhöhung des Innendrucks bewirkt, was seinerseits Probleme bezüglich der Betriebssicherheit und -leichtigkeit mit sich bringt.

Erfindungsgemäß werden diese Schwierigkeiten durch Verwendung eines Wärmeaustauschers überwunden, der Luft (oder ein anderes gasförmiges Fluid) verwendet, die im wesentlichen fre i von Staub ist, wie das Wärmeaustauschmedium im Wärmeaustauscher 12. Der Wärmeaustauscher besteht aus einer außen gerippten Zentralröhre großen Durchmessers, die staubabweisend ist oder die leichte Entfernung von eventuell abgelagertem Staub ermöglicht. Diese Einrichtungen und Anordnungen genügen den Anforderungen nach Betriebssicherheit und -leichtigkeit und ermöglichen es, die Abgastemperatur oberhalb des Wertes zu halten, bei-dem oder unterhalb dessen Korrosion stattfindet.

Weiterhin kann eine Regelung der Temperatur des Ofenabgases 11 auf einen optimalen Wert für den sicheren und zweckmäßigen Betrieb des Wärmeaustauschers 12 leicht dadurch erreicht werden, daß man eine Drosselklappe 16, die in dem Saugrohrsystem der Ofenabdeckung 2 vorgesehen ist, oder eine Drosselklappe 17, die in der Abgasleitung für das Ofenabgas 15 vorgesehen ist, entsprechend einstellt.

Das Wasser (oder die andere Kühlflüssigkeit), das in dem Tank enthalten ist und eine Temperatur unterhalb oder in der Nähe des Siedepunktes bei Atmosphärendruck besitzt, wie vorstehend beschrieben, wird mittels einer Pumpe 18 über die Leitung 19 in einen Wärmeaustauscher oder Boiler 20 eingespeist. Das Wasser oder die andere Kühlflüssigkeit wird in dem Wärmeaustauscher oder Boiler 20 durch die Luft (oder ein anderes Gas) erhitzt,

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die aus dem Wärmeaustauscher 12 austritt, die zweite Wärmerückgewinnungsstufe hinter sich hat, und.eine höhere Temperatur als die Siedetemperatur von Wasser besitzt, wodurch die gewünschte große Wärmerückgewinnung durch Überführung der Flüssigkeit aus dem Tank 8 in Flüssigkeit oder Dampf von hoher Temperatur, d.h. qualitativ hochwertige Wärme, erreicht wird. Die Flüssigkeit oder der Dampf von hoher Temperatur tritt aus 20 über die Leitung 21 aus. Das Gas wird über die Leitung 22 an die Atmosphäre abgegeben.

Da darüber hinaus dieser Wärmeaustauscher 20 im wesentlichen verschmutzungsfrei bleibt, ist es möglich, einen Wärmeaustauscher einfacher Bauart mit großem Wärmerückgewinnungswirkungsgrad zu verwenden. Da weiterhin saubere Luft (oder ein anderes Fluid) als Wärmeaustauschmedium dient, kann der A^gasstrom 22, der dem Wärmeaustausch unterworfen worden ist, zur wiederholten Verwendung rückgespeist werden.

Wie vorstehend beschrieben, läßt sich mit der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung der Erfindung die Abwärmerückgewinnung bei Elektroöfen sicher und leicht mit großem Wirkungsgrad durchführen, was mit den bekannten Methoden schwierig ist.

Claims

Pat entansprüche

1. Elektroofen, der staubbeladene Abgase von hoher Temperatur abgibt, gekennz eichnet durch eine oder mehrere Elektroden mit hiermit verbundenen ersten Kühleinrichtungen, eine Abdeckung mit Leitungen zur Ableitung des Abgases aus dem Ofen sowie mit diesen Leitungen verbundenen zweiten KüJaleinrichtungen, Einrichtungen für die Umwälzung eines ersten flüssigen Kühlmittels durch die ersten und zweiten Kühleinrichtungen zur Kühlung der Elektroden und der Leitungen, so daß das erste Kühlmittel in erhitztem flüssigem Zustand unter Atmosphärendruck ausgetragen wird; einen ersten Wärmeaustauscher mit inneren Röhren, die mit den Leitungen zur Aufnahme von Abgas hieraus verbunden sind, wobei die inneren Röhren so konstruiert sind, daß sie den in dem Abgas enthaltenen Staub abweisen und leicht von eventuell abgelagertem Staub gereinigt werden können, und der erste Wärmeaustauscher Einrichtungen für die Umwälzung eines zweiten gasförmigen Kühlmittels in indirektem Wärmeaustausch mit der inneren Röhre enthält, so daß aus dem ersten Wärmeaustauscher ein Strom aus dem zweiten gasförmigen Kühl-

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mittel, der auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes des ersten Kühlmittels erhitzt ist,ausgetragen wird; und einen zweiten hiermit verbundenen Wärmeaustauscher zur Bewirkung des Wärmeaustausches zwischen dem ersten Kühlmittel und dem zweiten Kühlmittel, wodurch das erste Kühlmittel auf höhere Temperatur erhitzt wird.

2. Elektroofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmeaustauscher ein Mantel- und Rohrwärmeaustauscher ist, in dem die Bohre von der Außenfläche ausgehende Rippen besitzen.

3- Elektroofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des ersten Wärmeaustauschers frei durchgängig, gerade und über ihre gesamte Länge von konstanter lichter Weite sind.

4-. Elektroofen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennz eichnet durch ein Gebläse für die Umwälzung eines Stromes aus dem zweiten Kühlmittel durch den Mantel des ersten Wärmeaustauschers.

5· Elektroofen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz ei chnet, daß der zweite Wärmeaustauscher ein Mantel- und Rohrwärmeaustauscher mit Einrichtungen für die Umwälzung eines der Kühlmittel durch den Mantel und Einrichtungen für die Umwälzung des anderen Kühlmittels durch die Rohre ist.

6. Elektroofen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5i gekennzeichnet durch einen Behälter zur Aufnahme

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des ersten Kühlmittels im flüssigen Zustand unter Atmosphärendruck, nachdem die erste Flüssigkeit in den ersten und zweiten Kühleinrichtungen umgewälzt worden ist sowie Pumpeinrichtungen zum Pumpen des ersten Kühlmittels aus dem Behälter in den zweiten Wärmeaustauscher.

7· Elektroofen nach Anspruch 6, gekennz ei chnet durch einen zweiten Behälter zur Aufnahme des ersten Kühlmittels aus den Kühleinrichtungen, zweiten Pumpeinrichtungen zum Pumpen des ersten Kühlmittels aus dem zweiten Behälter durch die zweiten Kühleinrichtungen und dann in den ersten Behälter, sowie Einrichtungen zur Steuerung der Fließgeschwindigkeit des ersten Kühlmittels von dem zweiten Behälter in den ersten Behälter.

8. Verfahren zur Abwärmerückgewinnung aus Elektroofen, die Gase von hoher Temperatur mit hoher Staubbelastung abgeben, dadurch gekennz ei chnet, daß man eine erste Wärmerückgewinnung aus dem Abgas unter Verwendung von Wasser oder anderen Kühlflüssigkeiten durchführt und die Kühlflüssigkeit bei einer Temperatur rückgewinnt, die niedriger als der Siedepunkt der Flüssigkeit unter Atmosphärendruck ist; das Abgas, das bereits der ersten Warmeruckgewinnungsstufe unterworfen worden ist, durch Rohre leitet, die staubabweisend konstruiert sind und die leichte Entfernung von eventuell abgelagertem Staub ermöglichen, während man Luft oder ein anderes gasförmiges Fluid als Wärmeaustauschmedium an der Außenwand der Rohre entlang führt, auf diese Weise eine zweite Wärme- . rückgewinnung durchführt, so daß das gasförmige Fluid eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes von Wasser oder der anderen Kühlflüssigkeit besitzt; dann das Wasser (oder die andere Flüssigkeit), nachdem es der ersten Wärmerückgewinnungsstufe unterworfen worden ist, ganz oder teilweise in Wärmeaustausch mit der Luft oder dem anderen gasförmigen Fluid strömen

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läßt, die der zweiten Wärmerückgewinnungsstufe unter Verwendung eines Vjarmeaustauscbers oder Boilers unterworfen worden ist, wodurch man eine Flüssigkeit bzw. Dampf von hoher Temperatur erhält.

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