DE3126494A1

DE3126494A1 - "verfahren zum betrieb einer winderhitzeranlage"

Info

Publication number: DE3126494A1
Application number: DE3126494A
Authority: DE
Inventors: Bernd 4300 Essen Voges
Original assignee: Krupp Koppers GmbH
Current assignee: Krupp Koppers GmbH
Priority date: 1981-07-04
Filing date: 1981-07-04
Publication date: 1983-01-20
Also published as: PT75034B; DE3126494C2; FR2508929A1; JPS586915A; JPH0380843B2; US4452586A; FR2508929B1; PT75034A

Description

Essen, den 3. Juli 1981 N 4850/1 Dr. Ha/Wi.

KRUPP-KOPPERS GMBH, Moltkestrasse 29, 4300 Essen 1 Verfahren zum Betrieb einer Winderhitzeranlage.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Winder hitze ranla ge, bei dem die im aus dem Winderhitzer austretenden Rauchgas enthaltene fühlbare Wärme über ein mit einem, flüssigen Wärmeübertragungsmittel beschicktes Wärmeaustauschersystem im indirekten Wärmeaustausch auf die Brennluft und/oder das Brenngas übertragen und zur Aufheizung derselben genutzt wird.

Die zu einer Hochofenanlage gehörenden Winderhitzer werden im Wechsel von dem aufzuheizenden Hochofenwind und den in den Brennschächten der Winderhitzer erzeugten Rauchgasen hoher Temperatur durchströmt. Die Rauchgase werden dabei durch Verbrennung von gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen erzeugt. Für einen wirtschaftliche Hocofenbetrieb ist normalerweise eine Windtempetatur von ca. 1 250 ^c C erforderlich. Deshalb muss die Temperatur des zur Aufheizung des Winderhitzers verwendeten Rauchgases entsprechend höher liegen und beim Eintritt in den Bestz des Winderhitzers ca. 1 450 ° C betragen. Derartig hohe Rauchgastemperaturen können beispielsweise durch Verbrennung eines Gasgemisches aus Gichtgas und Koksofengas oder Erdgas oder aber durch Verbrennung von vorgewärmtem Gichtgas mit vorgewärmter Verbrennungsluft erreicht werden. Es ist aber auch eine Kombination beider Methoden möglich, das heisst, geringe Vorwärmung der Verbrennungs-

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medien und gleichzeitige Zumischung von Koksofengas oder Erdgas.

Da der im Wechsel mit Rauchgas durch die Winderhitzer geführte Hochofenwind aus betriebstechnischen Gründen auf Drücke von ca. 4-5 bar absolut verdichtet wird, hat er beim Eintritt in die Winderhitzer bereits eine realtiv hohe Temperatur, beispielsweise 150 ^c C. Das bedingt natürlich, dass die Endtemperatur des Rauchgas es beim Verlassen des Winderhitzers auch noch relativ hoch ist.

So beträgt die Endtemperatur des Rauchgaeee beim Austritt aus

Beheizungsdem Winderhitzer ca. 200 ^β C am Beginn der . /phase und ca.

300 ^β C am Ende derselben. In den Zeiten niedriger Energiepreise wurde das Rauchgas mit diesen Temperaturen durch den Kamin abgeleitet, da die Kapitalkosten einer Energierückgewinnung höher waren als die dadurch eingesparten Energiekosten.

Durch die stark gestiegenen Energiepreise hat sich dieses Bild in den letzten Jahren jedoch grundsätzlich geändert. In immer stärkerem Masse werden deshalb sowohl Neuanlagen als auch bereits bestehende Altanlagen mit Wärmerückgewinnungseinrichtungen ausgerüstet.

Bei Neuanlagen wird dieses Problem normalerweise dadurch gelöst, dass die den Winderhitzer verlassenden Rauchgase unmittelbar durch einen Brennluft- und Brenngaswärmeaustauscher geleitet werden, in denen sie ihre fühlbare Wärme im indirekten Wärmeaustausch auf die Brennluft und das Brenngas übertragen, die zum Brennschacht des Winderhitzers strömen. Dabei ist es eben-

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falls bekannt, die Rauchgase vor dem Eintritt in die genannten Wärmeaustauscher in einer vorgeschalteten Brennkammer durch Verbrennung heizwertarmer Gase auf höhere Temperaturen zu bringen, um damit die Vorwärmtemperaturen der Brennluft und des Brenngases weiter zu steigern. Dieses System hat jedoch den Nachteil, dass sowohl Brennluft und Brenngas als auch das Rauchgas durch dieselben Wärmeaustauscher geleitet werden müssen. Wegen der grossen Durchmesser, die die Gasleitungen in diesem Falle haben müssen, erfordert dieses System die Aufstellung der Wärmeaustauscher in unmittelbarer Nähe der Winderhitzer sowie eine auf dieses System genau abgestimmte Rohrleitungsführung. Deshalb eignet es sich vorzugsweise nur für Neuanlagen. Bei der Umrüstung von bereits vorhandenen Altanlagen erfordert es dagegen meistens umfangreiche und kostspielige Umbauten an den Rohrleitungen, und ausserdem machen die örtlichen Platzverhältnisee eine derartige Umrüstung oft auch unmöglich.

Speziell für die Umrüstung von Altanlagen ist deshalb ein Wärmeaustauschersystem entwickelt worden, bei dem der Rauchgaswärmeaustauscher und der Brennluft- sowie der Brenngaswärmeaus tauscher von einander getrennt und durch ein geeignetes, flüssiges Wärmeübertragungsmittel, das im Kreislauf geführt wird, miteinander verbunden sind. Dabei wird die fühlbare Wärme des aus dem Winderhitzer austretenden Rauchgases zunächst an das flüssige Wärmeübertragungsmittel, z.B. Alkyl-Diphenyl, übertragen, welches sie wiederum im Brennluft- und B renngas wärmeaustauscher an die Brennluft und das Brenngas abgibt. Ein der-

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artiges System eignet sich vorzüglich zum nachträglichen Einbau in eine bereits bestehende Anlage, weil die Wärmeaustauscher getrennt von einander in die bestehenden Rohrleitungen eingebaut bzw. im Bypass diesen zugeordnet werden können.und umfangreiche Rohrleitungsumbauten dabei im allgemeinen vermieden werden können.

Die in dem aus dem Winderhitzer austretenden Rauchgas enthaltene-Wärmemenge sowie die Rauchgastemperatur erlauben naturgemäss nur die Vorwärmung der Verbrennungsmedien bis zu einer bestimmten Temperatur, beispielsweise bis zu 150° C. Wenn jedoch, was immer mehr angestrebt wird, als Brenngas Gichtgas verwendet wird, dann reichen diese Vorwärmtemperaturen nicht aus, um im Brennschacht die gewünschte hohe Verbrennungetemperatur von z.B. 1450° C zu erreichen. Bei Anwendung des vorstehend beschriebenen Systems muss daher in der Regel dem Gichtgas noch ein heizwertreicherer Brennstoff, wie z.B. Koks ofen oder Erdgas bzw. Heizöl, zugemischt werden, um die gewünschten hohen Verbrennungstemperaturen erzielen zu können. Dies ist jedoch unerwünscht, da Gichtgas als Kuppelprodukt der Roheisenerzeugung meist reichlich und preiswert zur Verfügung steht, während der zuzumischende heizwertreichere Brennstoff als Fremdenergie teuer hinzugekauft werden muss oder einer anderen nutzbringenden Einsatzmöglichkeit innerhalb oder aus serhalb des Hüttenwerkskomplexes entzogen wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Verfahren zum Betrieb einer Winderhitzeranlage zu

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entwickeln, das im Brenngas die völlige Substitution der heizwertreichen Brennstoffe durch heizwertarme Gase, wie z.B. Gichtgas₉ erlaubt. Es bestand hierbei weiterhin die Aufgabe, dieses Verfah-

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ren so zu gestalten, dass trotz der grossen Unterschiede/Rauchgas temperaturen beim Beginn und am Ende der Beheizungsphase eine möglichst gleichmässige Vorwärmtemperatur von Brenngas und/oder Brennluft erreicht wird. Ausserdem soll das erfindungsgemässe Verfahren möglichst ohne groese Umbauten und Betriebsunterbrechungen in bereits bestehende Winderhitzeranlagen integrierbar sein.

Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das zur Wärmeübertragung zwischen dem Rauchgas wärmeaustauscher und dem Brennluft- und/oder Brenngaswärmeaustauscher benutzte Wärmeübertragungsmittel in einem weiteren, mit heizwertarmen Gasen, wie z.B. Gichtgas, beheizten Wärmeaustauscher eine zusätzliche Aufheizung erfährt, wobei das Wärmeübertragungsmittel bis auf eine Temperatur erhitzt wird, die eine derartige Vorwärmung der Verbrennungsmedien (Brennluft und/oder -gas) ermöglicht, dass im Brenngas eine völlige Substitution der heizwertreichen Brennstoffe durch heizwertarme Gase erfolgen kann.

Das heisst, das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, die Beheizung der Winderhitzeranlage ausschliesslich mit heizwertarmem Gas durchzuführen. Hierfür kommt, wie bereits festgestellt wurde, insbesondere das Gichtsgas in Frage. Es ist aber natürlich auch

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der Einsatz eines anderen heizwertarmen Gases möglich, sofern dessen Heizwert nicht unter ca. 2 500 kj/Nm liegt.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den vorliegenden Unteransprüchen und sollen nachfolgend an einem Verfahrensbeispiel mit Hilfe des in der Abbildung dargestellten Flies ε -Schemas erläutert werden. Dieses Fliese-Schema zeigt dabei selbstverständlich nur die für die Verfahrenserläuterung unbedingt notwendigen Anlagenteile, während Nebeneinrichtungen sowie die sonstigen Anlagen des Hüttenwerkskomplexes nicht dargestellt sind.

Die in der Abbildung dargestellte Winderhitzeranlage besteht aus drei Winderhitzern 1 mit den dazugehörigen Brennschächten 2. Hierbei kann es sich um normale Winderhitzerkonstruktionen handeln, wie sie in der Technik allgemein gebräuchlich sind. Durch die Leitung 10 werden der Anlage ca. 67 000 Nm /h Brennluft und durch die Leitung 11 100 000 Nm /h Gichtgas als Brenngas zugeführt. In der Leitung 10 ist dabei der Brennluftwärmeaustauscher 5 und in der Leitung 11 der Brenngas wärmeaustauscher 2 angeordnet. In diesen Wärmeaustauschern werden die Brennluft und das Brenngas jeweils bis auf ca. 250 " C vorgewärmt. Mit dieser Temperatur gelangen die Verbrennungsmedien über die Abzweigleitungen 12 - 17 in die Brennschächte 2 der Winderhitzer 1, in denen ihre Verbrennung erfolgt. Die mit einer Temperatur von ca. 200 bis 300 ° C aus den Winderhitzern 1 austretenden Rauchgase werden über die Leitungen 18 bis 23 abgezogen, die in die zum Kamin 3 führende Rauchgas Sammelleitung 24 münden. Im Verlauf der

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Rauchgas Sammelleitung 24 ist der Rauchgaswärmeaustauscher 6 angeordnet, in dem die gesammelten Rauchgase, insgesamt ca. 160 000 Nm /h, eine Abkühlung bis auf ca. 150 ^β C erfahren. Bei den in der Abbildung dargestellten Wärmeaustauschern handelt es sich um sogen. Röhrenwärmeaustauscher, in deren Rohrsystem ein flüssiges Wärmeübertragungsmittel, wie z.B. Alkyl-Diphenyl, flies st. Die im Rauchgas wärmeaustauscher 6 zurückgewonnene Wärme wird dabei durch das Wärmeübertragungsmittel über die Leitung 25 auf das Rohrsystem des Brenngaswärmeaustauschers 4 und des Brennluftwärmeaustauschers 5 übertragen. Hier erfährt das Wärmeübertragungsmittel unter gleichzeitiger Vorwärmung der Verbrennungsmedien eine entsprechende Abkühlung, über die Leitung 26 wird das abgekühlte Wärmeübertragungsmittel abgezogen und durch die Umwälzpumpe 7 in das Rohrsystem des Rauchgas Wärmeaustausche rs 6 zurückgefördert, in dem es eine erneute Aufheizung erfährt. Damit ist der Kreislauf des Wärmeübertragungsmittels geschlossen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren erfolgen die Aufheizung des Wärmeübertragungsmittels und damit die Vorwärmung der Verbrennungsmedien jedoch nicht unkontrolliert und^ur bis zu der Höhe, die der Wärmeinhalt und die Temperatur der Rauchgase im Rauchgaswärmeaustauscher 6 erlauben. Das erfindungsgemasse Verfahren sieht vielmehr vor, dass das Wärmeübertragungsmittel in der Leitung 25 durch die Zwischenschaltung eines weiteren Wärmeaustauschers, der in diesem Fall als Röhrenofen 8 ausgebildet ist, eine zusätzliche Aufheizung bis auf ca. 300 ° C erfährt. Das Wärmeübertragungsmittel wird dabei durch das

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Rohrsystem des Röhrenofens 8 geleitet, der durch Verbrennen eines Teilstromes der Brennluft und des Brenngases beheizt wird. Für die Zufuhr der hierfür erforderlichen Brennluft sowie des erforderlichen Brenngases eind die Leitungen 27 und 28 vorgesehen, die im vorliegenden Falle hinter dem Brennluftwärmehufter

austauscher 5 bzw ./dem Brenngaswärmeaustauscher 4 von den Leitungen 10 bzw. 11 abzweigen. Das heisat, es werden im vorliegenden Falle vorgewärmte Brennluft und vorgewärmtes Brenngas verwendet. Es ist aber ebenfalls möglich, den Röhrenofen 8 mit kalten Verbrennungsmedien zu beheizen, deren Abzug aus den Leitungen 10 bzw. 11 dann vor den genannten Wärmeaustauschern erfolgt. Die bei der Beheizung des Röhrenofens 8 anfallenden Rauchgase werden über die Leitung 29 zum Kamin 3 abgezogen bzw. durch einen separaten Kamin ins Freie geleitet.

Um Taupunktunterschreitungen und damit Korrosionen im Rauchgaswärmeaustauscher 6 zu vermeiden, ist zwischen der Leitung und der Leitung 25 die Bypass-Leitung 30 vorgesehen, so dass das Wärmeübertragungsmittel im Rauchgas wärmeaustauscher 6 im Kreislauf geführt werden kann. Hierbei wird das Wärmeübertragungsmittel erst dann durch die Leitung 25 abgezogen, wenn es eine Temperatur von wenigstens 100 ^β C erreicht hat. Die entsprechende Einstellung kann durch den Dreiwegehahn 31 vorgenommen werden.

In die Leitung 25 kann ausserdem der Tank 9 zwischen ge schaltet werden, in den bei entsprechender Stellung der Ventile 32-34 über die Leitung 35 flüssiges Wärmeübertragungsmittel eingeleitet

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und über die Leitung 36 wieder abgezogen werden kann. Mit Hilfe des im Tank gegebenenfalls gelagerten Wärmeübertragungsmittels ist eine gewisse Wärmespeicherung möglich. Dadurch kann das hohe Wärmeangebot des Rauchgases, das am Ende der Beheizungsphase des Winderhitzers auftritt, gespeichert und auf den Beginn der Beheizungsphase übertragen werden, wenn das Wärmeangebot des Rauchgases besonders gering ist. Diese Vergleichmässigung der Wärmeübertragung führt nicht nur zu einer Vergleichmässigung der Vorwärmung der Verbrennungsmedien, sondern wirkt sich auch günstig auf den Betrieb des Röhrenofens 8 aus. Da in diesem Falle das Wärmeübertragungsmittel mit verhältnismässig konstanter Temperatur in den Röhrenofen 8 eingeleitet werden kann, ist eine sonst unter Umständen notwendige Uberdinnensionierung desselben nicht erforderlich. Selbstverständlich ist der Tank 9 an seiner Aussenseite mit einer Wärmeisolierung versehen. Die Ventile 37 bis 48 dienen der Umschaltung der Winderhitzer von der Beheizungsphase auf die Windvorwärm-Phase und umgekehrt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens die Temperatur des Wärmeübertragungsmittels und damit die Vorwärmtemperatur der Verbrennungsmedien so angehoben werden können, dass auf den Einsatz von heizwertreichen Gasen oder von Heizöl zur Beheizung der Winderhitzer 1 verzichtet werden kann. Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens sind an den bereits vorhandenen Gas-, Luft- und Rauchgasleitungen keine nennenswerten Veränderungen erforderlich. Der Röhrenofen 8 kann ohne jedwede Umbauten und ohne Betriebsunterbrechungen der bereits bestehenden

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Anlage hinzugefügt werden. Die Aufstellung des Röhrenofens 8 kann dabei gegebenenfalls auch weit ausserhalb der eigentlichen Winderhitzeranlage erfolgen.

Claims

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Patentansprüche :

1. Verfahren zum Betrieb einer Wüberhitzeranlage, bei dem die im aus dem Winderhitzer austretenden Rauchgas enthaltene fühlbare Wärme über ein mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmittel beschicktes Wärmeaustauschersystem im indirekten Wärmeaustausch auf die Brennluft und/oder das Brenngas übertragen und zur Aufheizung derselben genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Wärme Übertragung zwischen dem Rauchgaswärme austauscher und dem Brennluft- und/oder Brenngaswärmeaustauscher benutzte Wärmeübertragungsmittel in einem weiteren, mit heizwertarmen Gasen, wie z.B. Gichtgas, beheizten Wärmeaustauscher eine zusätzliche Aufheizung erfährt, wobei das Wärmeübertragungsmittel bis auf eine Temperatur erhitzt wird, die eine derartige Vorwärmung der Verbrennungsmedien (Brennluft und/oder -gas) ermöglicht, dass im Brenngas eine völlige Substitution der heizwertreichen Brennstoffe durch heizwertarme Gase erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel vorzugsweise bis auf eine Temperatur von 220 bis 300 ° C erhitzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die zusätzliche Aufheizung des Wärmeübertragungsmittels verwendete Wärmeaustauscher ein Röhrenofen ist, der durch Verbrennung eines aus der Brenngas-

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und Brennluftleitung abgezweigten Teilstromes von Brenngas und Brennluft beheizt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmittel im Rauchgas wärmeaustauscher derart im Kreislauf geführt wird, dass der Taupunkt der Rauchgase nicht unterschritten und wobei das Wärmeübertragungsmittel nur mit einer Temperatur von wenigstens 100 bis 150 ^β C zu den übrigen Wärmeaustauschern geleitet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kreislauf des Wärmeübertragungsmittels ein als Wärmespeicher dienender Behälter (Tank) für das Wärmeübertragungsmittel eingeschaltet wird.