DE3422608A1

DE3422608A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen einer kohlenmonoxid und wasserstoff enthaltenden gasatmosphaere

Info

Publication number: DE3422608A1
Application number: DE19843422608
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr.-Ing. 4019 Monheim Conrad
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1984-06-18
Filing date: 1984-06-18
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE3422608C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer
Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke bei einer Temperatur um oder unter 1073 K in einem mittels Strahlrohren beheizten Ofen.
Zur oxidationsfreien und entkohlungsfreien Wärmebehandlung von Metallteilen werden diese in einem Ofen einer im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehenden Gasatmosphäre bei einer Temperatur um oder unter 1073 K ausgesetzt. Die Ofen werden üblicherweise durch Strahlrohre beheizt. Es ist bekannt, die Gasatmosphäre außerhalb der Ofen in Generatoren durch unvollständige Verbrennung von gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen mit Luft herzustellen. Dieses sogenannte "Exogas", das einen Wasserstoffgehalt zwischen 2 und 12 Vol-% und einen Kohlenmonoxidgehalt zwischen 0 und 10 Vol-% hat, enthält Wasserdampf und Kohlendioxid. Die beiden zuletzt genannten Komponenten sind in einer Gasatmosphäre zur oxidationsfreien und entkohlungsfreien Wärmebehandlung von Metallen unerwünscht, da beispielsweise Kohlendioxid in dem angegebenen Temperaturbereich unter 1073 K entkohlend wirkt. Will man die störende Wirkung des Wasserdampf- und Kohlendioxidanteils nicht in Kauf nehmen, ist eine Trocknung und eine Wäsche der im Generator gebildeten Gasatmosphäre, insgesamt also eine aufwendige Vorbereitung notwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auf wirtschaftliche Weise eine Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltende Gasatmosphäre für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke bei einer Temperatur um oder unter 1073 K in einem mittels Strahlrohren beheizten Ofen mit möglichst geringen Anteilen an Wasserdampf und Kohlendioxid herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine organische Flüssigkeit, die sich erst bei einer Temperatur über der im Ofen herrschenden Temperatur vollständig in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt, in einen von einem Strahlrohr erhitzten und gegen die Ofeninnenatmosphäre abgeschirmten Raum eingeleitet, der Raum über das Strahlrohr wenigstens auf die für eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit in Kohlenmonoxid und Wasserstoff erforderlichen Temperatur erhitzt und das gebildete Gas gemisch in den Ofeninnenraum geleitet wird.
Zur Ausbildung der gewünschten Gasatmosphäre wird beim erfindungsgemäßen Verfahren von einer organischen Flüssigkeit ausgegangen, die bei ausreichend hohen Temperaturen vollständig in Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten wird. Die in Frage kommenden Flüssigkeiten spalten sich jedoch bei den im Ofeninnenraum herrschenden Temperaturen unter 1073 K nur unzureichend auf, wobei auch giftige Spaltprodukte entstehen können. Aus diesem Grund kann die organische Flüssigkeit nicht direkt in den Ofen eingeleitet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren geht man von der Erkenntnis aus, daß eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit erzielt werden kann, wenn diese in den Bereich eines Strahlrohres gebracht wird, das auf eine Temperatur erhitzt worden ist, die für eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit ausreicht.
Bei der Beheizung eines Ofens durch Strahlrohre sind diese in mehreren Heizgruppen zusammengefaßt. Gesteuert von einer Ofenheizungssteuerung werden die einzelnen Heizgruppen zeitweise unter Volllast, zeitweise unter Teillast gefahren, um ein bestimmtes Temperaturprofil im Ofeninnenraum aufrechtzuerhalten..Erfindungsgemäß wird nun eines der Strahlrohre von der normalen Ofenheizungssteuerung abgekoppelt und auf eine Temperatur erhitzt, bei der eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit erfolgt, sobald diese mit dem Strahlrohr in Kontakt kommt. Die Temperatur dieses Strahlrohres liegt über der der übrigen Strahlrohre und somit auch über der Temperatur des Ofeninnenraums.
Durch dieses einzelne Strahlrohr wird jedoch das Temperaturprofil im Ofeninnenraum praktisch nicht beeinflußt.
Da die organische Flüssigkeit bis nach der vollständigen Spaltung in Kohlenmonoxid und Wasserstoff nicht in Kontakt mit der Ofenatmosphäre kommen soll, wird die organische Flüssigkeit erfindungsgemäß zunächst in einen gegen den Ofeninnenraum abgeschirmten Raum -in flüssigem oder in verdampftem Zustand - eingeleitet. Wesentlich ist hierbei, daß dieser Raum von dem angrenzenden Strahlrohr auf eine Temperatur erhitzt werden kann, bei der die organische Flüssigkeit in Kohlenmonoxid und Wasserstoff spaltet.
Zweckmäßigerweise wird der Raum wenigstens teilweise von dem Strahlrohr begrenzt. Eine besonders einfache Ausführungsform liegt vor, wenn koaxial zum Strahlrohr ein Mantelrohr mit Abstand zum Strahlrohr angeordnet ist.
In diesem Fall wird die organische Flüssigkeit in dem von Mantelrohr und Strahlrohr gebildeten Zwischenraum eingeleitet und das Strahlrohr auf die für eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit erforderliche Temperatur erhitzt. Das Mantelrohr mit den Innenrippen muß aus Cr-Ni-Stahl-bestehen. In Kontakt mit dem Strahlrohr wird die organische Flüssigkeit in Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufgespaltet. In der Regel dürfte ein Strahlrohr für die Herstellung der gewünschten Gasatmosphäre ausreichen. Gleichwohl ist es möglich, zwei oder mehrere Strahlrohre für die Herstellung einer Gas atmosphäre aus einer organischen Flüssigkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzusehen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist kein Gasgenerator erforderlich, so daß Investitions- und Unterhaltskosten entfallen. Von besonderem Vorteil ist jedoch, daß das durch Spalten einer organischen Flüssigkeit gebildete Gasgemisch nur minimale Wasserdampf- bzw.
Kohlendioxidanteile hat. Eine Trocknung oder Wäsche dieses Gasgemisches ist daher nicht erforderlich. Vielmehr kann das Gasgemisch direkt in den Ofen geleitet werden.
Somit entfallen auch die Kosten für eine Waschvorrichtung bzw. für eine Reinigungssäule und es entstehen keine Gasverluste, die sich bei einer Wäsche des im Gasgenerator hergestellten Gasgemisches einstellen. Wegen der geringen H20- und CO2-Anteile reicht beim erfinddungsgemäßen Verfahren eine deutlich geringere Gasmenge aus, als beim Generatorgasverfahren. Daher ist die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besser als die des Generatorgasverfahrens.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als organische Flüssigkeit, die sich in Kohlenmonoxid und Wasserstoff spaltet, ein Alkohol verwendet. Wegen der Verfügbarkeit der relativ geringen Herstellungskosten findet Methanol beim erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Anwendung.
Da Methanol über 1123 K vollständig in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerfällt, wird das beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Spaltung dienende Strahlrohr auf eine Temperatur von über 1123 K, Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird mit Vorteil zusätzlich zur organischen Flüssigkeit Stickstoff in den vom Strahlrohr erhitzten und gegen die Ofeninnenatmosphäre abgeschirmten Raum eingeleitet.
In einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Ofen mit Strahlrohren ist mit Vorteil wenigstens eines der Strahlrohre von einem Mantelrohr mit Abstand umgeben, wobei in den vom Mantelrohr und dem Strahlrohr gebildeten Raum eine Zufuhrleitung für Methanol mündet und das Mantelrohr einen den Raum mit dem Ofeninnenraum verbindende Öffnung besitzt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ohne große Umbauten an vorhandenen, mit Strahlrohren beheizten Ofen, die im Temperaturbereich unter 1073 K betrieben werden, ein oder mehrere Strahlrohre mit einem Mantelrohr zu umgeben und wieder in den Ofen einzubauen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Strahlrohr und dem Mantelrohr wärmeleitende und Oberfläche vergrößernde Einbauten vorgesehen sind. Die Einbauten, beispielsweise umlaufende Rippen, wirken als Abstandshalter zwischen Mantelrohr und Strahlrohr. Zudem wir die Oberfläche, an der die organische Flüssigkeit gespalten wird, vergrößert und somit die Spaltung verbessert. Zweckmäßigerweise bestehen sowohl Strahlrohr, Einbauten wie auch Mantelrohr aus hitzebeständigem Chrom-Nickel-Stahl.
Eine besonders einfache, jedoch wirkungsvolle Vorrichtung zum Spalten einer organischen Flüssigkeit besteht aus einem Strahlrohr und einem dazu koaxial angeordneten Mantelrohr mit Offnungsschlitzen im Bereich des in den Ofeninnenraum weisenden Rohrendes.
Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht gemäß Figur 1 im wesentlichen aus einem Strahlrohr 1, einem Mantelrohr 2 und einer in den Mantelraum 3, dervon den koaxial und mit Abstand zueinander angeordneten Rohren 1 und 2 gebildet wird,mündenden Rohrleitung 4. Uber Rohrleitung 4, die lediglich schematisch dargestellt ist, soll im Ausführungsbeispiel Methanol in den Mantelraum 3 eingeleitet werden. Vom Strahlrohr 1 ist lediglich der äußere Mantel angedeutet, da Strahlrohre für sich bekannt sind.
Das Strahlrohr kann elektrisch oder durch Verbrennen eines Brennstoffes beheizt werden. Zwischen Strahlrohr 1 und Mantelrohr 2 sind rippenförmige Einbauten 5 angeordnet, über die Mantel- und Strahlrohr wärmeleitend miteinander in Verbindung stehen. An dem in den Ofen- innenraum weisenden Ende des Mantelrohres ist wenigstens ein öffnungsschlitz 6 im Mantelrohr ausgesparrt. Falls das Mantelrohrende z.B. in einem Wiederlager gelagert ist, und ein druckloses Ausströmen durch die vom Mantelrohr und dem Strahlrohr gebildete Öffnung nicht möglich ist, kann das gebildete Gasgemisch über diese Offnungsschlitze ausströmen. Das Strahlrohr ist in einem nicht dargestellten Ofen zusammen mit anderen Strahlrohren eingebaut, jedoch nicht an die Ofenheizungssteuerung angeschlossen. Vielmehr wird dieses Strahlrohr 1 auf eine höhere Temperatur als die übrigen Strahlungsrohre aufgeheizt, beispielsweise auf 1273 K. Sobald diese Tempe-t ratur erreicht ist, kann Methanol über Leitung 4 in den Mantelraum 3 geleitet werden. Die z.B. aus Chrom-Nickel-Stahl bestehenden Einbauten und das aus dem gleichen Material gefertigte Mantelrohr 4 nehmen praktisch dieselbe Temperatur wie Strahlungsrohr 1 an. Somit steht eine relativ große Oberfläche für die Spaltung des Methanols in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zur Verfügung.
An dem der Methanolzuleitung 4 gegenüberliegenden Ende der Strahlrohr- Mantelrohr-Kombination tritt über den bzw. die Öffnungsschlitze 6 oder die Öffnung zwischen Strahlrohr und Mantelrohr ein ausschließlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch aus und in den Ofen ein, dessen Temperatur deutlich unter 1273 K, beispielsweise bei 1023 K oder tiefer liegt.
Uber eine Leitung 7 kann Stickstoff in den Mantelraum 3 geleitet werden, so daß ein aus Stickstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Gasgemisch gebildet wird.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einem Ofen 8 mit einem erfindungsgemäßen Mantelstrahlrohr 11 schematisch dargestellt. Im Ofeninnenraum 9 des Ofens sind mehrere Strahlrohre 10 angeordnet, über die der Ofeninnenraum 9 beheizt wird. Die in Heizgruppen zusammengefaßten Strahlrohre 10 sind an eine nicht dargestellte Ofenheizungssteuerung angeschlossen und werden von dieser gesteuert.
Eines dieser Strahlrohre, das Mantelstrahlrohr 11, ist von dieser Ofenheizungssteuerung abgekoppelt und im erfindungsgemäßen Sinn gestaltet. Zwischen dem eigentlichen Strahlrohr 1 und dem Mantelrohr 2 sind Einbauten 5, in diesem Ausführungsbeispiel umlaufende Rippen, die eine verlängerte Verweilzeit bewirken, angeordnet.
Im Endbereich des Mantelstrahlrohres 11 befinden sich Öffnungsschlitze 6. In den Mantelraum 3 mündet die Leitung 4 für die Methanoleinspeisung. Ähnlich kann die Leitung 7 für Stickstoff in den Mantelraum 3 münden.
Mit Bezugszeichen 12 ist ein Temperaturfühler angedeutet, über den die Temperatur dieses Mantelstrahlrohres 11 unabhängig von der Ofenheizunqssteuerung geführt wird.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen einer Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre für die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke bei einer Temperatur um oder unter 1073 K in einem mittels Strahlrohren beheizten Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß eine organische Flüssigkeit, die sich erst bei einer Temperatur über der im Ofen herrschenden Temperatur vollständig in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zersetzt,in einen von einem Strahlrohr erhitzten und gegen die Ofeninnenatmosphäre abgeschirmten Raum eingeleitet, der Raum über das Strahlrohr wenigstens auf die für eine vollständige Spaltung der organischen Flüssigkeit in Kohlenmonoxid und Wasserstoff erforderliche Temperatur erhitzt und das gebildete Gasgemisch in den Ofeninnenraum geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Flüssigkeit ein Alkohol ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Flüssigkeit Methanol ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr ständig auf eine über' 1123 K liegende Temperatur erhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur organischen Flüssigkeit Stickstoff in den vom Strahlrohr erhitzten und gegen die Ofeninnenatmosphäre teilweise abgeschirmten Raum engeleitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Ofen mit Strahlrohren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Strahlrohre (1) von einem Mantelrohr (2) mit Abstand umgeben ist, wobei in den vom Mantelrohr (2) und dem Strahlrohr (1) gebildeten Raum (3) eine Zufuhrleitung (4) für Methanol mündet und das Mantelrohr (2) einen den Raum (3) mit dem Ofeninnenraum verbindende Öffnung besitzt.
7, Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch wärmeleitende und Oberfläche vergrößernde Einbauten, die das Stahlrohr mit dem Mantelrohr verbinden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr aus hitzebeständigem Chrom-Nickel-Stahl besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch öffnungsschlitze (6) im Mantelrohr (2) an dem der Flüssigkeitszuführung gegenüberliegenden Ende des Mantelrohres.
10. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnt, daß in dem Raum (3) zwischen Mantelrohr (2) und Stahlrohr (1) eine Zufuhrleitung (7) für Stickstoff mündet.