DE2756430A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von energie aus einem hochofenabgas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von energie aus einem hochofenabgas

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DE2756430A1 DE19772756430 DE2756430A DE2756430A1 DE 2756430 A1 DE2756430 A1 DE 2756430A1 DE 19772756430 DE19772756430 DE 19772756430 DE 2756430 A DE2756430 A DE 2756430A DE 2756430 A1 DE2756430 A1 DE 2756430A1
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Nippon Steel Corp
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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung
von Energie aus einem Hochofenabgas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zur Gewinnung von Wärmeenergie und kinetischer Energie
aus einem Gas, das von der Spitze eines Hochofens austritt, indem man dieses Abgas einer Turbine zuführt und die Wärmeenergie und kinetische Energie mit Hilfe eines von der Turbine angetriebenen Generators in elektrische Energie umwandelt.
Ein vom oberen Teil eines Hochofens abgegebenes Gas enthält große Mengen an Wärmeenergie und kinetischer Energie, und es ist
erwünscht, solche Energien wirksam ohne verschwenderische Abgabe an die Atmosphäre zu gewinnen und sie als Kraft für andere
Zwecke zu verwenden.
Nach der herkömmlichen Methode und mit der herkömmlichen Apparatur zur Gewinnung der Energie dieses Abgases wird ein von einem Hochofen abgeblasenes Gas durch einen Staubabscheider geführt, um Staub daraus zu entfernen, das gereinigte Abgas wird in ein Scheideventil und eine Turbine aufgeteilt, und die Energie wird als elektrische Energie gewonnen, indem ein von der Turbine
angetriebener Generator angetrieben wird, während der Druck in der Spitze des Hochofens mit Hilfe des Scheideventils gesteuert wird. Bei dieser herkömmlichen Methode werden die Fließgeschwindigkeiten des zu dem Scheideventil und in die Turbine geführten Abgases nach zwei Methoden eingestellt. Selbst während des normalen konstanten Betriebs des Hochofens variiert die Strömungsgeschwindigkeit des von der Spitze des Hochofens abgenommenen
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Abgases im Verlaufe der Zeit. Nach der ersten Methode wird die Strömungsgeschwindigkeit des zu der Turbine geführten Abgases auf den Mindestwert am Boden eingestellt, der nicht durch die Veränderung der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases beeinflußt wird, nämlich auf ein Niveau, das in Fig. 1 durch die Linie A-A gezeigt ist. Ein Überschuß des Abgases, der die Kapazität der Turbine übersteigt, wird dem Scheideventil zugeführt, und die Strömungsgeschwindigkeit wird durch das Scheideventil derart gesteuert, daß man einen erforderlichen Spitzendruck aufrechterhält. Nach der zweiten Methode wird die Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine zugeführten Abgases, nämlich die Kapazität der Turbine, auf einen Maximalwert um variierende Werte der Gesaratströmungsgeschwindigkeiten des Abgases eingestellt, nämlich auf einen Wert, der durch die Linie B-B in Fig. 2 gezeigt ist. Der Spitzendruck wird durch ein Reglerventil gesteuert, das die Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine zugeführten Abgases steuert, und das Scheideventil ist bloß angeordnet, um vorbeigeblasene Mengen zu verkraften, oder es wird lediglich verwendet, wenn die Turbine angehalten wird.
In der ersten Methode kann das System relativ leicht gesteuert werden, doch da die Menge des in das Scheideventil strömenden Abgases groß ist, steigt die Menge des ohne Energiegewinnung abgeblasenen Abgases. Daher ist das Verhältnis der von der Turbine gewonnenen Energie gering.
Bei der zweiten Methode, bei der die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases variiert und die Strömungsgeschwindigkeit des in die Turbine fließenden Gases geringer als die Kapazität der Turbine ist, um den Spitzendruck auf einem erwünschten Wert zu hai-
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ten, ist es erforderlich, den Gasfluß zu drosseln. In diesem Fall ist der Verlust an Gas durch Drosselung groß, und das Energiegewinnungsverhältnis wird ziemlich stark herabgesetzt. Besonders wenn der Hochofen mit einer niedrigen Betriebsgeschwindigkeit über lange Zeit betrieben wird, ist die Verminderung des Energiegewinnungsverhältnisses deutlich sichtbar. Da außerdem die geplante Kapazität der Turbine größer wird, sollte die Abmessung der Turbine vergrößert werden, und somit sollten auch die Abmessungen der zusätzlichen Anlagen unvermeidlich vergrößert werden, was zu einer Erhöhung der Anlagekosten führt.
Es ist daher ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Methode und Apparatur zur Energiegewinnung zu bekommen, bei denen die Kapazität der Turbine für die Gewinnung der Energie eines Abgases auf einen Mittelwert der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases eingestellt wird, welche mit dem Verlauf der Zeit während des normalen konstanten Betriebs eines Hochofens variiert, wodurch die Menge an Energie, die von der Turbine gewonnen wird, gesteigert wird.
Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, eine Methode und Apparatur zur Energiegewinnung zu erhalten, bei denen das Verhältnis der gewonnenen Energie im Verhältnis zu der eingestellten Kapazität einer Turbine verbessert wird.
Ein drittes Ziel der Erfindung besteht darin, eine Methode und Apparatur zur Energiegewinnung zu bekommen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das nicht durch eine Turbine, sondern durch ein Scheideventil geht, herabgesetzt und die Menge der Energie, die nicht gewonnen, sondern verschwendet wird, vermindert wird. 809825/0956
Ein viertes Ziel der Erfindung ist jenes, eine Methode und Apparatur zur Energiegewinnung zu bekommen, bei denen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases unter die eingestellte Kapazität der Turbine absinkt, eine Drosselung des Gasflusses durch ein Reglerventil einer Turbine auf einem niedrigen Wert gehalten wird, um den durch die Drosseluung auftretenden Verlust zu vermindern.
Andere Ziele, Merkmale und Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offenbar.
In der Zeichnung bedeutet
Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases, deren Veränderung und der Turbinenkapazität in einer herkömmlichen Methode zur Gewinnung von Energie aus dem Abgas, das von einem Hochofen abgegeben wird, unter Verwendung einer Turbine erläutert,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases, ihrer Veränderung und der Turbinenkapazität in einer anderen herkömmlichen Methode zur Gewinnung von Energie aus dem Abgas eines Hochofens unter Verwendung einer Turbine erläutert,
Fig. 3 ein Diagramm, das eine Ausführungsform nach der Erfindung erläutert, und
Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases, ihrer Veränderung und der Turbinenkapazität nach der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert.
Gemäß Fig. 3 wird ein Abgas von der Spitze 10a eines Hochofens 10 in einen Staubsammler 12 und einen Venturiwäscher 13 durch eine Leitung 11a überführt, und in dem Abgas befindlicher Staub wird durch diesen Staubabscheider 12 und den Venturiwäscher 13 entfernt. Eine Leitung 11b von dem Wäscher 13 teilt sich in Leitungen 11c und 11d. Die eine Leitung 11c ist mit einer Turbine 15 über ein Reglerventil 14 verbunden. Die Ausgangsseite der Turbine 15 ist mit einem Abschaltventil 16 über eine Leitung 11e verbunden. Die andere Leitung 11d ist mit einem Scheideventil 17 verbunden, und die Ausgangsseite des Scheideventils 17 ist mit einer Leitung 11f verbunden. Diese Leitung 11f ist mit einer Leitung 11g an der Ausgangsseite des oben erwähnten Abschaltventils 16 verbunden und bildet eine Leitung 11h, die mit einem Gasbehälter verbunden ist. Ein Generator 18 ist mit der Ausgangswelle der Turbine 15 verbunden.
Ein erster Oszillator 19 ist an der Spitze 10a des Hochofens angeordnet, um den Spitzendruck festzustellen und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem ermittelten Spitzendruckwert auszusenden. Der Ausdruck "Spitzendruck" bedeutet in der Beschreibung und den Ansprüchen jeweils den Druck an der Spitze des Hochofens. Der erste Oszillator 19 ist elektrisch mit einer ersten Signalumschalteinrichtung 20 verbunden, die derart angeordnet ist, daß ein Kontakt 20a selektiv mit einem Kontakt 20b oder einem Kontakt 20c verbunden wird. In dieser ersten Signalumschalteinrichtung werden obere und untere Gren-
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zen zulässiger Veränderungen des Spitzendruckes mit einer bestimmten engen Breita eingestellt oder festgesetzt. Wenn der SpitzendrucK bzw. Druck am oberen Ende die obere Grenze überschreitet, wird der Kontakt 20a automatisch mit dem Kontakt 20b verbunden, und wenn der Spitzendruck geringer als die untere Grenze wird, wird der Kontakt 20a automatisch auf den Kontakt 20c umgeschaltet. Während der Kontakt 20a mit dem Kontakt 20b verbunden ist, kann die Verbindung manuell geschlossen oder geöffnet werden. Ein elektrisches Signal von dem ersten Oszillator 19 wird mit Hilfe eines Druckreglers 21 in ein Steuersignal umgewandelt, und das Steuersignal aus dem Druckregler 21 wird zu dem Scheideventil 17 oder Steuerventil 14 über die erste Signalumschalteinrichtung 20 überführt, um den Spitzendruck zu steuern.
Der Kontakt 20b der ersten Signalumschalteinrichtung 20 wird mit einem Mechanismus 22 für die Betätigung des Scheideventils 17 verbunden. Der Kontakt 20c wird mit einem Kontakt 23b einer zweiten Signalumschalteinrichtung 23 verbunden. Diese zweite Signalumschalteinrichtung 23 hat Kontakte 23a und 23c außer dem Kontakt 23b. Der Kontakt 2 3a wird automatisch selektiv mit dem Kontakt 23b oder dem Kontakt 23c verbunden. Der Kontakt 23a wird mit einem Mechanismus 24 für die Betätigung des Reglerventils 14 verbunden, und der Kontakt 23c wird mit einem zweiten Oszillator 25 verbunden, der die Drehungszahl der Turbine 15 abfühlt und ein von der abgefühlten Drehungszahl abhängiges Signal aussendet.
Die Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine 15 zugeführten Abgases wird auf einen Mittelwert der Gesamtströmungsgeschwin-
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digkeit des Abgases, die mit dem Verlauf der Zeit variiert, eingestellt, nämlich auf einer Höhe, die durch die Linie c-c in Fig. 4 gezeigt ist. Die oben erwähnten oberen und unteren Grenzen der Druckeinstellung in der ersten Signalumschalteinrichtung 2O werden derart bestimmt, daß sie einem etwas höheren Druckwert als der Druck entsprechend der Turbinenkapazität, d.h. als der obige Mittelwert, bzw. einem etwa niedrigeren Druck als der Druck entsprechend der Turbinenkapazi tat gleich sind.
Nunmehr wird der Betrieb der Apparatur nach der Erfindung mit der oben erwähnten Struktur beschrieben.
Wenn sowohl das Reglerventil 14 und das Abschaltventil 16 geschlossen sind, ist die Turbine 15 angehalten, und das gesamte Abgas geht durch das Scheideventil 17. Wenn der Kontakt 20a mit dem Kontakt 2Ob in der ersten Signalumschalteinrichtung 20 verbunden wird und diese Verbindung geschlossen oder blockiert wird, wird das elektrische Signal aus dem ersten Oszillator 19 zu dem Druckregler 21 geführt, wo das Signal verglichen wird und Arbeiten wie Subtraktion, Proportionierung und Integration durchgeführt werden. Das resultierende Ausgangssignal des Druckreglers 21 wird zu dem Scheideventil 17 überführt, um den Spitzendruck zu steuern. Während dieses Verfahrens wird von der Turbine 15 keine Energie gewonnen.
Wenn die Turbine 15 angelassen wird, wird das Abschaltventil geöffnet, und eine Einstellung des zweiten Oszillators 25 wird auf die Ausgangsposition eingestellt. An diesem Punkt wird der Kontakt 23a mit dem Kontakt 23c in der zweiten Signalumschalteinrichtung 23 verbunden, und das Steuerventil 14 wird allmäh-
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/ι a
lieh geöffnet, um die Turbine 15 anlaufen zu lassen. Sodann wird der zweite Oszillator 25 derart eingestellt, daß die Drehung der Turbine 15 mit einer Sammelschiene für Kraftstrom synchron wird und die Leistung des Generators 18 in die Sammelschiene für Kraftstrom überführt wird. Sodann wird die Verbindung zwischen dem Kontakt 20a und dem Kontakt 20b in der ersten Signalumschalteinrichtung 20 geöffnet, und der zweite Oszillator 25 wird derart eingestellt, daß der Ausgang des Generators 18 gesteigert wird. Als Ergebnis hiervon wird der Kontakt 23a automatisch zu dem Kontakt 23b in der zweiten Signalumschalteinrichtung 23 umgeschaltet. So wird das apparative System in den Zustand gebracht, wo das System automatisch gesteuert werden kann.
Ein Signal, das von dem Spitzendruck abhängt, wird von dem ersten Osziallatcr 19 zu der ersten Signalumschalteinrichtung 20 übertragen, wo das Signal mit der vorbestimmten oberen und unteren Grenze verglichen wird. Wenn der Spitzendruck geringer als die untere Grenze ist, ist der Mittelwert der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases, die mit dem Laufe der Zeit variiert, geringer als die Kapazität der Turbine 15. In diesem Fall wird in der ersten Signalumschalteinrichtung 20 der Kontakt 20a automatisch mit dem Kontakt 20c verbunden, und das Scheideventil 17 wird geschlossen, und das gesamte Abgas wird über das Reglerventil 14 zu der Turbine 15 geführt. Der Generator 18 wird von der Turbine 15 angetrieben, und die Energie des Abgases wird in elektrische Energie umgewandelt und in dem in die Sammelschiene für Kraftstrom eingeführten Zustand gewonnen. Der Spitzendruck wird von dem ersten Oszillator 19 ab-
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gefühlt und zu dem Druckregler 21 übertragen, wo das Spitzendrucksignal in ein Steuersignal umgewandelt wird. Dieses Steuersignal wird zu dem das Reglerventil betätigenden Mechanismus 24 über die erste Signalumschalteinrichtung 20 und die zweite Signalumschalteinrichtung 23 übertragen. Der Jas Reglerventil betätigende Mechanismus 24 betätigt das Reglerventil 14 derart, daß die der Turbine 15 zugeführte Menge des Abgases eingestellt und dadurch der Spitzendruck gesteuert wird.
Wenn der Spitzendruck die festgesetzte obere Grenze überschreitet, wird in der ersten Signalumschalteinrichtung 20 der Kontakt 20a, der mit dem Kontakt 20c verbunden war, automatisch auf den Kontakt 20b in der ersten Signalumschalteinrichtung umgeschaltet. In diesem Zustand entspricht die Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine 15 zugeführten Abgases vollständig der Kapazität der Turbine 15, und der überschüssige Anteil des Abgases gegenüber der Kapazität der Turbine 15 strömt in das Scheideventil 17. Der Spitzendruck wird durch das Scheideventil 17 über den Druckregler 21, die erste Signalumschalteinrichtung 20 und den das Scheideventil betätigenden Mechanismus 22 in Abhängigkeit von dem Signal aus dem ersten Oszillator 19 auf dem vorbestimmten Niveau gehalten.
In der vorliegenden Erfindung kann die Kapazität der Turbine, nämlich das durch die Linie C-C in Fig. 4 angegebene Niveau, so bestimmte werden, daß die von der Linie C-C und dem Teil der Fließgeschwindigkeitskurve oberhalb der Linie C-C definierte Fläche gleich der Fläche ist, die durch die Linie C-C und den Teil der Strömungsgeschwindigkeitskurve unterhalb der Linie C-C definiert ist. Auch kann die Kapazität der Turbine
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/II*
auf der Grundlage eines Mittelwertes der Maxima a., a„, a.,... und Minima b1, b„, b^... in der Strömungsgeschwindigkeitskurve bestimmt wer-ltn. Es wird kein wesentlicher Unterschied des Energiegewinnungsverhältnisses durch die Turbine verursacht/ unabhängig davon, ob die Kapazität der Turbine nach der ersterwähnten Methode oder nach der letzteren Methode bestimmt wird.
In der obigen Ausführungsform wurde eine Methode und eine Apparatur zur Gewinnung von Energie in einem Abgas durch Umwandlung derselben in elektrische Energie mit Hilfe eines mit der Turbine verbundenen Generators erläutert. Nach der Erfindung kann die Energie des Abgases aber auch in anderen Formen gewonnen werden, etwa durch Verwendung eines Kompressors und/oder einer Pumpe, die mit der Turbine verbunden sind.
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Claims (8)

Dr. Hans-Heinrich Willrath t Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert PATENTANWÄLTE 27b643Q D — 62 WIESBADEN 16. Dez. 197 Positadi 6145 l.usMv Frryug-Stnfcc «5 Di . We/W * (041 «l J7f7«U Trl.-rjn.n.4.1r.s~e: WILLPATENT Telex: 4-186247 Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd., 6-4, Tsukiji 5-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan und Nippon Steel Corporation, 6-3, Otemachi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus einem Hochofenabgas Priorität; Japanische Patentanmeldung Nr. 51-153984 vom 20. Dezember 1976 Patentansprüche 18O 370 D
1. Verfahren zur Gewinnung von Energie eines Abgases von der Spitze eines Hochofens unter Entfernung von Staub aus dem Abgas mit
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ORIGINAL INSpeCTED
Hilfe eines Staubabscheiders, anschließende Aufteilung des Abgases auf zv/ei Gasstrome, Zuführung eines Stromes zu einem Scheideventil und des anderen Stromes zu einer Turbine und Gewinnung der Energie des Abgases mit Hilfe eines mit der Turbine verbundenen Generators, während der Druck an der Spitze des Hochofens in Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das duiL.ii das Scheideventil und/oder die Turbine geht, gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine zugeführten Abgases auf einem Mittelwert der Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Abgases, die im Laufe der Zeit variiert, einstellt und einen Mechanismus für die Betätigung des Scheideventils und eines Reglerventils für die Turbine selektiv austauschbar in Abhängigkeit von einem den Druck an der Spitze des Hochofens anzeigenden Signals, welches der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an der Spitze des Hochofens entspricht, verbindet, so daß, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases geringer als der Mittelwert ist, das Scheideventil vollständig geschlossen ist und das gesamte Abgas zu der Turbine geführt wird, während der Druck an der Spitze des Hochofens durch das Reglerventil der Turbine gesteuert wird, und wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases höher als der Mittelwert ist, das Abgas in einer Menge entsprechend diesem Mittelwert zu der Turbine geführt und der restliche überschüssige Anteil des Abgases durch das Scheideventil geschickt wird, während der Druck an der Spitze des Hochofens durch das Scheideventil gesteuert wird, wobei die Energie des Abgases verwendet wird, einen Generator und/oder andere rotierende Maschinen, wie einen Kompressor und/oder eine Pumpe, die mit der Turbine verbunden sind, anzutreiben.
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2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Turbine, in die ein Teil eines von dem Hochofen abgegebenen Abgases nach Entfernung von Staub daraus eingeführt wird, ein Scheideventil, dem der Rest des Gases zugeführt wird, einen mit der Turbine verbundenen Generator, ein Reglerventil zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des der Turbine zugeführten Gases und Einrichtungen zur selektiven Steuerung des Scheideventils und des Reglerventils in Abhängig von einem den Druck an der Spitze des Hochofens anzeigenden Signals, das der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an der Spitze des Hochofens entspricht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen ersten Oszillator für das Abfohlen des Druckes an der Spitze des Ofens, der ein dem abgefühlten Druck an der Spitze des Hochofens entsprechendes Signal aussendet, eine mit dem ersten Oszillator verbundene erste Signalumschalteinrichtung, einen Druckregler zur Abgabe eines Spitzendrucksteuersignals an die erste Signalumschalteinrichtung in Abhängigkeit von dem von dem ersten Oszillator abgegebenen Signal, einen mit der ersten Signalumschalteinrichtung verbundenen Mechanismus, der das Scheideventil betätigt, eine zweite mit der ersten Signalumschalteinrichtung verbundene Signalumschalteinrichtung, einen mit der zweiten Signalumschalteinrichtung verbundenen Mechanismus, der das Reglerventil der Turbine betätigt und einen mit der zweiten Signalumschalteinrichtung verbundenen zweiten Oszillator, der die Drehzahl der Turbine abfühlt und ein der abgefühlten Drehzahl entsprechende Signal aussendet, umfaßt.
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4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler automatisch und selektiv mit dem das Reglerventil betätigenden Mechanismus in Abhängigkeit von dem Signal aus dem ersten Oszillator in der ersten Signalumschalteinrichtung über den das Scheideventil betätigenden Mechanismus oder die zweite Signalumschalteinrichtung verbunden wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Signalumschalteinrichtung die Verbindung zwischen dem das Scheideventil betätigenden Mechanismus und dem Druckregler manuell geschlossen und geöffnet werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalumschalteinrichtung, der das Reglerventil betätigende Mechanismus selektiv mit dem zweiten Oszillator oder der ersten Signalumschalteinrichtung verbunden wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Scheideventil gehenden Abgases durch den ersten Oszillator, den Druckregler und die erste Signalumschalteinrichtung eingestellt wird und so der Druck an der Spitze des Hochofens gesteuert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch das Steuerventil gehenden Abgases durch den ersten Oszillator, den Druckregler, die erste Signalumschalteinrichtung und die zweite Signalumschalteinrichtung eingestellt wird und so der Druck an der Spitze des Hochofens gesteuert wird.
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