DE3734988A1 - Verfahren zum kontinuierlichen betreiben einer waermerueckgewinnungsanlage und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens. In einer Vielzahl industrieller Anlagen entsteht Abwärme, die noch immer zu einem unvertretbar hohem Anteil ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Um hier Abhilfe zu schaffen ist es beispielsweise für Kupol­ öfen im Zusammenhang mit der Roheisenge­ winnung bekannt, das anfallende Abgas über einen oder mehrere Wärmetauscher zu geben, um hierdurch das dem Ofen zuzuführende Ar­ beitsmittel auf die erforderliche Prozeß­ temperatur zu erhitzen.

In diesem Zusammenhang ist ein Verfahren und eine Anlage zur Rückgewinnung von Wärme unter Verwendung zweier Wärmetauscher bekannt ge­ worden (DE-OS 28 53 117), bei dem der erste Wärmetauscher die Abgaswärme der Wärmequelle an ein rieselfähiges Teilchenmaterial ab­ gibt, welches seinerseits nach Zwischen­ speicherung die von ihm gespeicherte Wärme in einem zweiten Wärmespeicher auf das kalte Arbeitsmittel überträgt, das somit auf die erforderliche Betriebstemperatur ge­ bracht, der Anlage mit der auf diese Weise rückgewonnenen Abwärme zugeführt werden kann.

Bei den hier in betracht zu ziehenden Wärme­ quellen bwz. Ofeneinrichtungen besteht ein wesentlicher Nachteil darin, daß sie sich durch erhebliche Kapazitätsschwankungen bei der Abgabe der Abwärme kennzeichnen. Um dennoch für das Arbeitsmittel hinläng­ lich konstante und kontinuierliche Bedin­ gungen schaffen zu können, bedient sich das bekannte vorgenannte Verfahren eines thermisch gegen die Außenwelt isolierten Zwischenspeichers zwischen den beiden Wärmetauschern, für eine ausreichende Aufspeicherung des aus dem ersten Wärme­ tauscher abgegebenen erhitzten Teilchen­ materials zur Ermöglichung einer dosier­ ten Einbringung dieses Materials in den zweiten Wärmetauscher für die Aufheizung des Arbeitsmittels.

Bei der Verwendung von rieselfähigem Teilchen­ material als Wärmeübertragungsmedium, hat sich die Verwendung von Wirbelschichttauschern als besonders zweckmäßig erwiesen. Für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Wirbel­ schicht ist jedoch eine bestimmte Gasdurch­ trittsmenge durch den Wärmetauscher notwendig. Ein zu geringer Gasdurchtritt verhindert die Ausbildung der erforderlichen Wirbelschicht, während ein zu starker Gasdruchtritt undefi­ nierte Verhältnisse für die Wirbelschicht schafft. Das bekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ist nicht geeignet hier Abhilfe zu schaffen,und die Verwendung eines zusätzlichen Zwischen­ speichers kompliziert darüber hinaus den Anlagenbau, ohne daß sie das kontinuierliche Betreiben der Wirbelschicht-Wärmetauscher hinsichtlich des Gasdurchtrittes beeinflussen könnte.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, die Steuerung der Ausbildung der Wirbelschichten auch bei großen Gasdurchtrittsschwankungen durch die Wärmetauscher zu optimieren, unter gleichzeitiger Beachtung der Konstanthaltung der Temperatur des erwärmten Arbeitsmittels.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen zur Vorrichtung und Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach dem vorliegenden Verfahren ist es in vorteil­ hafter Weise möglich, die Wärmerückgewinnung aus ungenutzten Wärmequellen unter Einsatz von Wärme­ tauschern dazu zu benutzen, die Temperatur eines Arbeitsmittels auf einem im wesentlichen kon­ stanten Wert zu halten, der eine optimale Be­ triebstemperatur darstellt, und zwar selbst dann, wenn die Temperatur der Wärmequelle sich erheb­ lich ändert, oder auch beträchtliche Schwankungen hinsichtlich der Wärmekapazität für die jeweils anfallende Abwärme gegeben sind. Bei der Roh­ eisengewinnung, beispielsweise dort,wo als Wärme­ quelle ein Kupolofen eingesetzt wird, sind derar­ tige Schwankungen nicht selten und brachten in der Vergangenheit beim kontinuierlichen Arbeits­ ablauf erhebliche Schwierigkeiten. Ein als Arbeitsmittel eingesetztes Produktgas muß für die Roheisengewinnung eine vorgegebene bestimmte Betriebstemperatur aufweisen, um mit einer ent­ sprechenden Anlage optimal fahren zu können, was bei den bisherigen Gegeben­ heiten die Schwierigkeiten noch ver­ größerte.

Durch die erfindungsgemäß zwischen der Austrittsleitung für das erhitzte Ar­ beitsmittel aus dem zweiten Wärmetau­ scher vorgesehene Verbindungsleitung zum Abgaseinlaß in den ersten Wärme­ tauscher, können die nachteiligen Schwan­ kungen der Gasmengen und der Wärmeüber­ tragung im ersten Wärmetauscher erheb­ lich reduziert werden, und die Funktions­ fähigkeit der als Wirbelschicht-Wärme­ tauscher ausgebildeten Wärmetauscher kann mit diesem internen Wärmekreislauf unab­ hängig vom Abgasanfall dosierbar opti­ miert werden. Die Arbeitsmittelmenge und die Wärmeübertragung im zweiten Wärme­ tauscher kann auch bei starken Betriebs­ schwankungen der Wärmequelle nahezu kon­ stant gehalten werden.

Schließlich ist es noch besonders vor­ teilhaft, daß bei der vorliegenden Ver­ fahrensweise, das für den ersten Wärme­ tauscher abzuzweigende heiße Arbeitsmittel, nahezu den gesamten Wärmeinhalt durch die damit optimierbare Wirbelschichtgestaltung an das Teilchenmaterial, welches in diesem ersten Wärmetauscher aufzuheizen ist abgibt, wobei sich auch schließlich die Funktion der Gesamtheit der Wirbelschichtböden in beiden Wärmetauschern in der jeweils ge­ wünschten Form vorgeben läßt.

Das vom zweiten Wärmetauscher abgezweigte heiße Arbeitsmittel, kann durch zusätzliche Verbrennung die anfallende Wärmekapazität des Schwachgases der Abwärme im ersten Wärmetauscher erheblich begünstigen. Das vorliegende Verfahren erfordert praktisch keinen apparativen Aufwand und gibt dennoch eine wirkungsvolle Rückkoppelung für den Wärme- und Strömungshaushalt. Meß- und Regeleinrichtungen in der Kurzschlußlei­ tung zwischen den beiden Wärmetauschern stellen eine sichere Steuerung des Ver­ fahrensablaufes bei geringstmöglicher Stör­ anfälligkeit dar. Die Meß- und Regelein­ richtungen steuern die aus der Austritts­ leitung des zweiten Wärmetauschers abge­ zweigte Arbeitsmittelmenge in Abhängig­ keit von mindestens einer Zustandsgröße des zu behandelnden Arbeitsmittels oder des Abgases.

Die beiliegende Zeichnung zeigt in stark schematisierter Vereinfachung den beispiels­ weisen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Anhand dieser Zeichnung soll nachfolgend die vorliegende Erfindung näher erläutert werden.

Die Abwärme erzeugende Wärmequelle 11 kann bei­ spielsweise ein Kupolofen sein. Dieser Wärme­ quelle sind ein erster Wärmetauscher 1 und ein zweiter Wärmetauscher 2 zugeordnet. Dem Wärme­ tauscher 1 wird über den Abgaseinlaß 3 die Abwärme der Wärmequelle 11 ganz oder teil­ weise zugeführt, um innerhalb des ersten Wärmetauschers 1, der wie der Wärmetauscher 2 als Wirbelschicht-Wärmetauscher ausgebildet ist,von unten nach oben durch vorzugsweise eine Mehrzahl von Wirbelböden strömend seine Wärme abgeben zu können.

Das abgekühlte Abgas wird über den Auslaß 4 aus dem Wärmetauscher 1 ausgetragen.

Ein zwischen den beiden Wärmetauschern im Kreislauf geführtes rieselfähiges Teilchen­ material, wie beispielsweise Sand, Kies, Pellets oder dgl. mehr, wird mit Hilfe einer Preßluftzufuhr 12 über eine Leitung 13 für das Teilchenmaterial vom Austrag des Wärme­ tauscher 2 in den Einlaß des Wärmetauschers 1 gefördert, von wo aus das Teilchenmaterial auf die verschiedenen Wirbelböden fällt, auf denen es zufolge des im Gegenstrom geführten Abgases vorzugsweise eine Mehrzahl von Wirbel­ schichten ausbildet. Innerhalb der Wirbel­ schichten wird die Wärme des Abgases nahezu vollständig auf das Teilchenmaterial über­ tragen und das erhitzte Teilchenmaterial ge­ langt über den unteren Austrag des ersten Wirbel­ schicht-Wärmetauschers 1 durch eine Rohrver­ bindung 14 in den oberen Bereich des zweiten Wirbelschichttauschers 2. Dieser Wärmetauscher, wiederum mit einer Mehrzahl von Wirbelschicht­ böden versehen, wird von unten mit kaltem Arbeits­ mittel, z.B. kaltem Gas beschickt, welches über die Zuführungsleitung 5 in den Wärmetauscher ge­ langt.

Entsprechend der Arbeitsweise des Wärme­ tauschers 1 strömt auch im Wärmetauscher 2 das kalte Arbeitsmittel von unten im Gegenstrom durch die sich dort befindlichen Wirbelschichten und erwärmt sich hierbei durch Übernahme der in dem Teilchenmaterial gespeicherten Wärme­ energie, woraufhin dann das heiße Arbeits­ mittel über die Austrittsleitung 6 mit der erforderlichen Betriebstemperatur der vorge­ schalteten Wärmequelle 11 zugeführt werden kann. Das im Bodenbereich des zweiten Wärme­ tauschers anfallende rieselfähige Teilchen­ material wird dann erneut im Kreislauf ge­ führt, über die Leitung 13 in den Topbereich des ersten Wärmetauschers transportiert.

Von der Austrittsleitung 6 für das erwärmte Arbeitsmittel ist eine Verbindungsleitung 8 abgezweigt, die zum Einlaß 7 führt mit über welchen Verbrennungsluft der Brennkammer 15 hinter dem Abgaseinlaß 3 des ersten Wärme­ tauschers 1 zugeführt werden kann. Somit ist es möglich, zusammen mit der Verbrennungsluft über den Einlaß 7, wahlweise und dosiert er­ wärmtes Arbeitsmittel in den Wärmetauscher 1 einzuführen, und gegebenenfalls innerhalb der Brennkammer 15 zusätzlich zu verbrennen zur Unterstützung der erforderlichen Wärme­ menge, die ansonsten von dem Abgas vorge­ geben wird. Die wesentliche Aufgabe der Zu­ führung von Arbeitsmittel, wie Gas, über die Verbindungsleitung 8 in den unteren Bereich des Wärmetauschers 1 besteht darin, daß dann, wenn das von der Wärmequelle 11 gelieferte Abgas ein bestimmtes Strömungsminimum zur Auf­ rechterhaltung der Wirbelschichten innerhalb des Wärmetauschers 1 unterschreitet, diese Strömungsverhältnisse so zu verbessern, daß der Wirbelschicht-Wärmetauscher 1 optimal arbeiten kann. Hierfür sind innerhalb der Ver­ bindungsleitung 8 oder der Verbindungsleitung 8 zugeordnet, Meß- und Regeleinrichtungen 9, 10 vorgesehen, die die Optimierung der Steuerung des abgezweigten Arbeitsmittels bzw. der ge­ wünschten Arbeitsmittelmenge in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße des zu be­ handelnden Arbeitsmittels oder des Abgases er­ möglichen. Stark schwankende Gasmengenzufuhren, die zu Unregelmäßigkeiten in der Ausbildung der Wirbelschicht führen könnten, werden sicher ausgeglichen. Die Unregelmäßigkeiten im Be­ triebsablauf, die einerseits bei zu kleinen Gasmengen die Ausbildung der Wirbelschichten unmöglich machten, und andererseits bei zu großen Gasmengen den normalen Fluß des Teil­ chenmaterials von Boden zu Boden nicht mehr gewährleisteten, sind ausgeschlossen. Die mit dem heißen Arbeitsmittel abgezweigte Wärme geht nicht verloren, sondern wird nahezu voll­ ständig oder wenigstens zum größten Teil von dem Teilchenmaterial übernommen und wieder dem zweiten Wärmetauscher zugeführt, wodurch ein interner zusätzlicher Wärmekreislauf ge­ bildet ist. Bei sehr niedriger Leistung der vorgeschalteten Ofeneinrichtung 11, er­ möglicht der interne Wärmekreislauf größere Gas- und Arbeitsmittelmengen über beide Wärmetauscher zu fahren und die beiden Wärmetauscher mit zulässigen Abweichungen von ca. 20% den Betrieb der vorgeschalteten Ofeneinrichtungen mit Schwankungen bis zu 30% anzupassen. Die Menge des abgezweigten Arbeitsmittels wird so gesteuert, daß die für die Funktion der Wirbelböden minimalen erforderlichen Gasmengen bzw. minimal er­ forderlichen Druckverluste aufrechterhal­ ten werden. Die Ofeneinrichtung liefert bei verschiedenen Betriebszuständen ein Gas mit sehr geringem Anteil an brenn­ baren Komponenten. Durch die Beimischung des heißen Arbeitsmittels zu der Ver­ brennungsluft wird der Verbrennungsprozeß unterstützt und jede diskontinuierliche Verbrennung vermieden.

Eine Abgasrückführungsleitung 16 als By­ paß zwischen dem Auslaß 4 für das gekühlte Abgas aus dem Wärmetauscher 1 und dem Ab­ gaseinlaß 3,optimiert insbesondere bei Kupolöfen mit sehr hohen Leistungsschwan­ kungen zusätzlich die Gasströmung wobei in den Bypass ein Gebläse 17 und ein Drossel­ ventil 18 eingeschaltet wird. Beim Anfahren der kalten Anlage kann durch diesen Bypass die Wärme­ rückgewinnungsanlage schneller aufgeheizt, die Wirbelschicht auf den Böden schnell aufge­ baut, der Pelletflug schnell eingestellt und dadurch die erforderliche Roheisenqualität viel schneller erreicht werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Betreiben ei­ ner Wärmerückgewinnungsanlage, beispielsweise für die Gußeisenerzeugung, bei dem wenigstens zwei Wirbel­ schicht-Wärmetauscher derart zusammengeschaltet sind, daß die freie Abwärme aus einer Ofeneinrichtung oder dergleichen Abgasquelle mit hoher Leistungsschwankung einem ersten Wirbelschicht-Wärmetauscher zugeführt wird, in dem die Abwärme an ein rieselfähiges Teil­ chenmaterial übertragen wird, daß seinerseits in einem zweiten Wärmetauscher die im ersten Wärme­ tauscher aufgenommene Wärme an ein Arbeitsmittel abgibt, dessen Temperatur hinlänglich konstant zu halten ist, dadurch gekennzeich­ net, daß dem ersten Wärmetauscher zusammen mit dem heißen Abgas der Wärmequelle dosierbar ein Teil des im zweiten Wärmetauscher erhitzten Arbeits­ mittels zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom zweiten Wärmetauscher abge­ zweigte heiße Arbeitsmittel zur Unterstützung der Verbrennung des schwachen Gases der Abwärme direkt der Brennkammer des vorgeschalteten ersten Wärme­ tauschers zugeführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsleitung (6) für das heiße Arbeitsmittel aus dem zweiten Wärmetauscher (2) über eine Ver­ bindungsleitung (8) mit dem Abgaseinlaß (3) aus der Abgaswärmequelle (11) in den ersten Wärmetauscher (1) kurzgeschlossen ist, wobei der Abgaseinlaß (3) gegebenenfalls direkt in eine Brennkammer des Wärmetauschers (1) einmündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Verbindungsleitung (8) für die dosierbare Steuerung der abgezweigten Arbeits­ mittelmenge in Abhängigkeit von mindestens einer Zustandsgröße des Arbeitsmittels oder des Abgases hierauf ansprechende Meß- und Regeleinrichtungen (9, 10) eingeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Bypaßleitung (16) für die Abgas­ rückführung zwischen dem Auslaß (4) für das abge­ kühlte Abgas und den Abgaseinlaß (3) gelegt ist.