DE3721104A1

DE3721104A1 - Nitrierhaerteanlage mit abgasaufbereitung

Info

Publication number: DE3721104A1
Application number: DE19873721104
Authority: DE
Inventors: Guenther Diererichs; Helmut Mallener; Klaus Mattes
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1988-01-14

Description

Die Erfindung betrifft Nitrierhärteanlagen mit Abgasaufbe reitungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Anlagen der in Rede stehenden Art bestehen im wesentlichen aus Glühretorten mit indirekter, vorzugsweise elektrischer Beheizung, in welche das Wärmebehandlungsgut (z. B. Getriebeteile) auf Traggestellen eingelagert und während einer vorwählbaren Glüh temperatur durch gasförmige Härtemittel (z. B. Ammoniak bzw. NH₃ evtl. mit Methylamin bzw. CH₃-NH₂ oder anderen Kohlenstoffspen dern, wie CO, CH₄ usw.) gespült werden. Die Härtemittel reagie ren dabei mit dem glühenden Wärmebehandlungsgut und es erfolgt unter Einlagerung von Stickstoff bzw. ggf. Kohlenstoff in das Metallgefüge eine Abspaltung von Wasserstoff. Um die Aufent haltszeit in den Retorten kurz zu halten und dennoch eine aus reichend gleichmäßige Wirksamkeit durch intensive Verteilung der Härtemittel sicherzustellen, wird eine größere Menge an Härtemitteln durchgeleitet, als theoretisch notwendig. Daher enthält das austretende Abgas neben dem Wasserstoff wechselnde Anteile von restlichen brennbaren Härtemittelmengen oder auch Anteile von Inertgas, welches zur Schlußspülung vor dem Öffnen der Retorten aus Sicherheitsgründen durchgeleitet wird. Das Austreten solcher noch brennbarer Restgasgemische in die Atmos phäre führt zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen und ist ver boten.

Zur Aufbereitung solcher Abgase wurden bisher katalytische Abgasnachverbrennungsanlagen vorgeschlagen, die zur Vermeidung von Flammenrückschlägen in die Glühretorte unter Unterdruck be trieben werden sollten. Beispielsweise zeigt Prospekt 2 C.79 KO der Fa. HERAEUS-Quarzschmelze GmbH, D-6450 Hanau, einen soge nannten Pyrolyse-Apparat, mit dem reaktionsträge toxische Gase in unter Unterdruck betriebenen Apparaturen mittels einer Was serstoff-Primärflamme unter erheblichem Sauerstoff-Überschuß ohne Gefahr des Einsaugens von Sauerstoff in die Apparate ver brannt werden können.

Bei großtechnischen Anlagen solcher Art entstehen jedoch so erhebliche Bau- und Betriebskosten infolge zeitraubender Spül zeiten wegen der Größe der Apparate und damit verbundene Be schränkungen der nutzbaren Einsatzperioden der Glühretorten so wie wegen des erheblichen Platzbedarfes, daß solche Abgasaufbe reitungen erhebliche Fertigungskostenzuschläge verursachen. Da während des Ablaufes eines Wärmebehandlungsprozesses ver schiedene Betriebsphasen durchlaufen werden müssen, bei denen die Abgase ihre Zusammensetzung stark ändern und die Retorten oftmals auch für verschiedene Verfahren (z. B. Nitrier- oder Nitrocarburier-Prozesse) eingesetzt werden müssen, ergeben sich auch für die Aufbereitungsanlagen dieser Art viele weitere Probleme und Einrichtungskosten. Die wechselnden Abgasgemische und Mengenschwankungen würden nämlich sowohl beim Einsatz katalytischer Abgasreinigungsreaktoren oder der Verwendung von Wäschern nicht nur deren Auslegung für die größtmögliche Moment anleistung erfordern, sondern auch zusätzliche Investitions- und Entsorgungskosten sowie Grundflächen-Bedürfnisse verur sachen. Infolge dessen besteht in manchen Fällen bei den Be treibern entsprechender Wärmebehandlungsanlagen noch die Nei gung, entsprechend geeignete Umweltschutzmaßnahmen aus diesen Kosten- und Planungsgründen noch immer weiter aufzuschieben bzw. vielleicht sogar völlig zu unterlassen, weil infolge der Platz probleme komplette Anlagen für die Wärmebehandlung neu gebaut werden müßten. Auch bezüglich der Funktionssicherheit der Härteprozesse stellen aufwendige Abgasreinigungsreaktoren in der Abgasleitung mögliche Störungsquellen dar. Neben den Ein bußen an effektiven Fertigungszeiten, die mit der Größe der Aufbereitungsapparate und den Zeiten und Mengen für die zu deren Ein- und Ausschaltvorkehrungen erforderlichen Inertgas- Spülgasmengen stark anwachsen, stellen auch die Verbräuche an zusätzlichen Spülgasen nicht unbeträchtliche Zusatzkosten dar.

Bei Benutzung von mit unzureichend arbeitenden Aufbereitungen arbeitenden Wärmebehandlungsanlagen kann es aber zu unerträg lichen und gefährlichen Abluftverunreinigungen in der Umgebung kommen, durch die gesetzlich zugelassene Höchstkonzentrationen überschritten werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird hiervon ausgehend darin gesehen, einfache Maßnahmen aufzuzeigen, mit denen die Abgaskon zentrationen von Nitrierhärteanlagen auch bei starken Qualitäts- und Mengenschwankungen der Abgase mit automatischen Mitteln be triebsgünstig unter die höchstzulässigen Werte herabgedrückt werden können.

Die Lösung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruches 1 insbesondere dadurch erreicht, daß am Fackelbrenner auch während glühprozeßbedingter Heizwertabsenkungen im Abgas mittels zusätzlicher Heizgaszumischung so hohe Verbrennungstem peraturen konstant eingestellt bleiben können, daß nur gesund heitlich unbedenkliche Inertgase abgehen (z. B. N₂, H₂O oder bei Nitrocarburierung +CO₂), wobei die Inertgas-Beimischung vor dem Flammenschutzsieb es ermöglicht, die Temperatur bei Heizwert spitzen (z. B. infolge hoher NH₃-Anteile in den Retorten) stets so weit zurückzuhalten, daß zu keiner Zeit eine Zerstörung des Flammenschutzsiebes oder Gefährdung der Glühretorten möglich ist. Auf diese Weise kann kein unverbranntes Abgas in die Atmos phäre gelangen bzw. ist die einwandfreie Verbrennung allein mit dem Luftsauerstoff am Fackelbrenner ohne vorhergehende kataly tische Spaltung der Abgase an Katalysatoren usw. bzw. die Ent fernung der Härtegasreste (wie NH₃ oder CH₃-NH₂) ohne Wäscher möglich. Infolge der Vermeidung voluminöser Katalysator-Reak tionsräume, Wascheranlagen usw., können möglichst kurze und betriebssichere Abgasleitungen realisiert werden, da vor dem Fackelbrenner lediglich ein sonst bei ähnlichen Verfahren eben falls ratsamer Flammenrückschlagfilter vorzusehen ist. Dessen Flammenschutzsieb kann hier die Zweitaufgabe übernehmen, als Mischer für Heizgaszusatzmengen zu dienen, wenn dieses zur Auf rechterhaltung ausreichender Verbrennungstemperaturen dem aus den Retorten abströmenden Abgas zugemischt wird. Die Inertgas beimischung kann mit einer Heizgasbeimischung so erfolgen, daß am Fackelbrenner stets eine optimale Verbrennungstemperatur herrscht. Danach wird z. B. mittels eines Heizwertprüfers eine besonders zuverlässige Verbrennungskontrolle erreicht. Entsor gungsprobleme für verbrauchte Katalysatoren oder für unbrauch bar gewordene Waschflüssigkeiten usw. werden nicht mehr hervor gerufen und die Abgasrestwerte nach der Abfackelung entsprechen nun jederzeit den gültigen Luftreinhaltungsvorschriften.

Bei vom Technischen Überwachungsverein durchgeführten Messungen erwies sich diese einfache Art der rein thermischen Verwertung des NH₃-beladenen Härterei-Abgases als brauchbar und kostengünstig zur Lösung von Geruchsproblemen durch Ammoniak im Werkbereich. Die im Abgas der Entsorgungsanlage ermittelten NH₃-Restgehalte lagen bei allen Betriebsphasen auf sehr niedrigen Werten von 1 mg/m³. Dabei kam es auch zu keiner Überschreitung von gesetzlich noch zulässigen NO_x-Grenzwerten im Abgas (500 mg/m³), obwohl der Verlauf der NO_x-Konzentrationen ein Maximum (ca. 0,1 mg/m³) während der Aufheiz- und Nitrierphasen zeigte. Die Nachbrennerflamme selbst trägt dabei nur unwesentlich zur NO_x-Emission bei. Die aufzuwendenden Kosten für solche Einrichtungen und das Inertgas sind dabei im Vergleich zu den Bau- und Betriebskosten sowie Entsorgungskosten von katalytischen Abgasreinigungen und Waschanlagen unbeträchtlich. Auch lassen sich die betreffenden Zu satzeinrichtungen ohne nennenswerte Unterbrechungen im Betrieb der die Abgasquellen darstellenden Ofenanlagen bzw. Wärmebehand lungseinrichtungen und fast ohne Platzbedarf einbauen, weil es sich hauptsächlich um kleine Meßfühler, Regler und nur eine (z. B. unter Flaschendruck betreibbare) enge Zumischleitung für das Inertgas handelt. Auch die ammoniakfreien Spülperioden nach den eigentlichen Härteprozeßphasen werden durch die Vermeidung großer Reaktionsapparate im Abgasstrom verkürzt und verbilligt und schließlich kann mit der Heizgaszumischmöglichkeit vor dem Fackelbrenner auch dann die Abgaswärmeleistung für evtl. Wärme rückgewinnungen hoch gehalten werden, wenn der Heizwert des un behandelten Abgases an sich zu niedrig wäre. Die Zumischleitun gen lassen sich bei vorhandenen Wärmebehandlungsöfen und Abgas leitungen auch nachträglich leicht unterbringen, so daß wir kungsvolle Luftreinigungsmaßnahmen nun nicht mehr mit der Be gründung hoher Kosten und langer Betriebsbeeinträchtigungen länger hinausgeschoben zu werden brauchen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Auch kann eine sinnvolle Abwärme nutzung mittels des Fackelgases z. B. bei der Aufheizung von Glühretorten bzw. Wärmebehandlungsgut mit heißem Abgas aus dem Fackelbrenner-Abgaskamin unabhängig von evtl. anderen Glüh prozessen erfolgen.

Leistungsschwankungen infolge des Chargenbetriebes der Abgas quellen werden durch Inertgas in Richtung zu hoher Temperaturen und durch Heizgas in Richtung zu geringer Temperaturen direkt abgefangen und optimale Reaktionsbedingungen für die restlose Zersetzung von Härtegas-Restbestandteilen sichergestellt. Gleichzeitig kann hiermit auch eine Dosierungssicherung und Prozeßkontrolle für die eigentliche Wärmebehandlungsanlage an und für sich erreicht werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und einzelnen Anspruchsmerkmalen auch aus der Aufgabenstellung.

Die Erfindung wird weiter erläutert anhand eines schemati schen Ausführungsbeispieles für eine Wärmebehandlungsanlage ge mäß den Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Ablaufschema und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Abgas- und Tem peraturänderungen über der Zeit.

In Fig. 1 wird in einer Retorte 1, welche mit einer Elek troheizung 2 versehen ist, ein chargenweise eingebrachtes Wärme behandlungsgut z. B. auf 570°C aufgeheizt und dann einer Ammo niak- bzw. Ammoniak- und Methylamin-Atmosphäre ausgesetzt, in dem gemäß einem Betriebsprogramm vorgebbare Öffnungszeiten und -querschnitte an Härtemittel-Einlaßventilen 3 aktiviert werden, welche von einem Härtemittel-Vorratslager 4 gespeist werden. Das dabei in der Retorte 1 entstehende Abgas mit unterschiedlichen Konzentrationen an Wasserstoff bzw. Restgasen entweicht unter Passieren jeweils einer Kühlfalle 5 und sammelt sich in einer gemeinsamen Abgasleitung 6 zu einem Fackelbrenner 7, der eine auf beliebige Weise funktionierende Zündeinrichtung 8 aufweist. Außer mit Härtegas 4 kann die Retorte 1 auch aus einem Inertgas vorrat 4 A, z. B. mit N₂, gespült werden. Dies ist erforderlich, um nach dem Härteprozeß brennbare Restgase vor dem Öffnen der Retorte 1 sicher auszutreiben. Eine N₂-Spülung vor dem Einlei ten des Härtegases, wie bei Anlagen mit katalytischen Abgasauf bereitungen, wird dabei unnötig. Die aus der Retorte 1 austre tende Abgasleitung 6 führt ohne längere Umwege durch einen Flammenrückschlagfilter 10, ehe sie in den Abfackelbrenner 7 gelangt. Dieser ist beispielsweise als Ringbrenner ausgeführt und hat eine Zündeinrichtung 8, welche aus einer Zündenergiever sorgung 11 (z. B. elektrische Lichtbogenzündung) und einer Zünd kontrolle 12 (z. B. Infrarotsensor, Flammwächter usw.) zur Fest stellung, ob Verbrennung stattfindet, besteht. Die auftretenden Signale verarbeitet ein einfacher Gasfeuerungsautomat 13, wel cher nötigenfalls die Zündenergieleitung 11 bzw. eine Zündgas leitung zur Zündeinrichtung 8 am Abfackelbrenner 7 aktiviert und über Leitungen für Brennerstörung 15 und Zündmeldung 16 automatisch geschaltet überwacht wird durch einen vorrangig auf korrekte Härtebedingungen gerichtete Bedarfssteuerungsprozeß regler 17. Dieser erhält fortlaufend sowohl Daten über die Ab gasmengen als auch über die Abgasqualität und verarbeitet diese in Abstimmung mit einem vorgebbaren Betriebsprogramm der je weiligen Retorte 1 und leitet Steuerbefehle weiter an die Stell glieder der Härtemittelzufuhr 3, der Inertgaseinleitung 20 am Flammenrückschlagfilter 10 und Heizgasleitungen 8 bzw. 14 zum Fackelbrenner 7. Mittels der Inertgaseinleitung 20 wird ermög licht, zu hohe Heizwerte im Abgas, wie sie z. B. bei Beginn der Härtemitteleinleitung, niedrigen Temperaturen in der Retorte 1 oder gegen Ende eines Nitrierprozesses auftreten können, so aus zugleichen, daß die einwandfreie Nachverbrennung am Fackelbren ner 7 weder durch einen Flammenrückschlag noch durch eine Flam menabhebung vom Brennermund gestört wird und das Flammenschutz sieb dabei nicht zerstört werden kann. Dazu ist hier die Inert gaseinleitung 20 in den Flammenrückschlagfilter 10 zwischen dessen Flammenschutzsieb 21 und einem weiteren Mischbett 22 vor gesehen und oberhalb des letzten kontrolliert ein Temperatur fühler 23, der über Leitung 24 dem Prozeßrechner 17 meldet, ob es im Flammenrückschlagfilter 10 zu Temperaturanstiegen kommt und daher das Inertgaseinlaßventil 20 zu öffnen ist. Reicht die Temperatur nicht für eine optimale Nachverbrennung aus, kann über die Heizgasleitung 8 bzw. 14 oder über Leitung 20 der Ab gasheizwert zusätzlich erhöht werden. Eine weitere Sicherheits schaltverbindung 27 kann z. B. noch eine Koppelung der Härte mitteleinlaßventile 3 mit dem Gasfeuerungsautomaten 13 in dem Sinne vorsehen, daß letzterer eingeschaltet sein muß, solange eines der Ventile 3 geöffnet ist. Je nach Ausstattung des Pro zeßreglers 17 lassen sich hiermit alle Vorgänge der Retorte 1 während der verschiedenen Wärmebehandlungsprozesse, z. B. mit tels Zeitwerken und Temperaturregelungen selbsttätig so mit überwachen, daß der Wärmebehandlungsablauf störungsfrei und gefahrlos und bei einer weit geringeren Verunreinigung der Atmosphäre durchführbar ist.

Besteht die Absicht, die Abwärme zu Heizzwecken zu nutzen, so kann am Abgaskamin 28 eine Rekuperationsleitung 29, die über die jeweiligen Wärmetauscher 30 führt, zu einem Gassauger 31 vorgesehen werden. In diesem Falle wäre auch noch eine gute Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie möglich.

In Fig. 2 ist für ein reines Nitrierverfahren (mit NH₃) die ausgezogene Linie der Temperaturverlauf 32 im Abgas einer Glüh retorte 1 und die gestrichelte Linie 33 der NH₃-Gehalt im Abgas vor der Nachverbrennung im Verhältnis zur eindosierten Menge und der Beheizungstemperatur der Retorte 1 aufgetragen. Nach einer Anfangsspülphase 34 ohne Beheizung, während der die Retorte mit NH₃ gefüllt wird, beginnt die indirekte Beheizung mit der Aufheizstufe 35, gegen deren Ende der NH₃-Gehalt infolge der einsetzenden Wasserstoffabspaltung schon leicht abzusinken beginnt, bis nach Erreichen der Soll-Temperatur mit der über längere Zeit (z. B. über 40 h) beizubehaltenden NH₃-Mindestkonzentration die eigentliche Nitrierphase 36 beginnt. Diese endet bei Abstellung der Heizung mit der Abkühlphase 37, in der der NH₃-Wert im Abgas durch Ausbleiben des Wasserstoffes die anfängliche Größenordnung wie am Ende der Anfangsspülphase 34 erreicht, ehe die NH₃-Zufuhr schließlich abgestellt und statt dessen eine kurze Schlußspülphase 38 ausschließlich mit Inertgas (N₂) durchgeführt wird. Ohne Abgasaufbereitungseinrichtung würden die NH₃-Konzentrationen die Abluft vergiften, und zwar um so mehr und um so länger, je mehr Retorten parallel bzw. im Wechsel betrieben werden.

Mit der erfindungsgemäßen Abluftaufbereitung wird auch der Gehalt an NO_X deutlich unter den gesetzlichen Grenzwerten gehalten, welche beispielsweise 500 mg/m³ NO_x zulassen. Anstelle dessen wurde in der kritischsten Aufheizphase bei einem Vergleichsversuch nur ca. 0,1 mg/m³ NO_x tatsächlich gemessen. Eine entsprechende Kurve in Fig. 2 kann daher nicht gezeichnet werden. Da die Einrichtung auch Konzentrationsschwankungen vor dem Fackelbrenner 7 durch entsprechend angepaßte Heizgaszumischungen über Leitung 8 bzw. 14 oder 20 ausgleicht, ergeben sich stets optimale Verbrennungs- und Reaktionsbedingungen bei der Nachverbrennung. Der dabei erforderliche Sauerstoff kann problemlos der Umgebungsluft entnommen werden und die Verbrennungsprodukte N₂ und H₂O sind völlig ungiftige Atmosphärenbestandteile ohne jede Belästigung der Umwelt.

Bezugszeichen 1 Retorten
2 Elektroheizung
3 Härtegaseinlaßventile
4 Härtegasvorrat
4 A Inertgasvorrat für 4
5 Kühlfalle
6 Abgasleitung
7 Abfackelbrenner
8 Zündeinrichtung
9 Inertgasvorrat für 10
10 Flammenrückschlagfilter
11 Zündenergieversorgung
12 Zündkontrolle
13 Gasfeuerungsautomat
14 Heizgasleitung
15 Verbindungsleitung (Brennerstörung)
16 Verbindungsleitung (Zündmeldung)
17 Bedarfssteuerungs-Prozeßregler
18 Inertgassteuerleitung
19 Inertgasbeimischventil
20 Inertgaseinleitung
21 Flammenschutzsieb in 10
22 Mischbett in 10
23 Temperaturfühler
24 Meldeleitung (Nachverbrennungskontrolle)
25 -
26 -
27 Sicherheitsschaltverbindung
28 Abgaskamin
29 Rekuperationsleitung
30 Wärmetauscher
31 Heizgassauger
32 Temperaturverlauf in 1
33 NH₃-Gehalt
34 Anfangsspülphase
35 Aufheizstufe
36 Nitrierphase
37 Abkühlphase
38 Schlußspülphase

Claims

1. Nitrierhärteanlage mit Abgasaufbereitung, bei welcher ein bei Spülung einer Glühretorte (1) mit Nitrier- bzw. Nitrocarburiermittel entstehendes ammoniakhaltiges Abgas unter Nachverbrennung aufbereitet wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Abgasaufbereitung aus einer von einer Bedarfssteue rung (17) geführten Inertgasbeimischung (18, 19, 20) an einem der Retorte (1) mit einbaufreier Leitung (6) direkt nachgeschaltetem Flammenrückschlagfilter (10) mit Flammen schutzsieb (21) besteht, das einem Fackelbrenner (7) druck seitig vorgeordnet ist,
- wobei die Inertgasbeimischung (18, 19, 20) durch eine die ser nachgeschalteten Temperaturüberwachung (23, 24) kontrol liert ist, welche gleichfalls eine Heizgaszuleitung (8 bzw. 14 oder 20) zum Fackelbrenner (7) im Sinne einer vom Nitrierhärtprozeß unabhängigen Sicherstellung einer aus reichenden Ammoniakverbrennungstemperatur in dessen offe ner Flamme steuert.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Heizgasbeimischung (14) die Verbrennung am Fackelbrenner (7) im wesentlichen mittels einer der Bedarfs steuerung (17) angeschlossenen Heizwertkontrolleinrichtung für den Abgasstrom hinter der Inertgasbeimischung (18, 19, 20) steuert.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß dem Fackelbrenner (7) eine Wärmerückgewinnungsan lage (29, 30, 31) zugeschaltet ist, mit welcher härtemittel freies Abgas durch vorzuheizende Glühretorten (1) bzw. Wärme tauscher (30) umgeleitet wird.