DE4202827A1 - Geregelter betrieb von industrieoefen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von
Industrieöfen, deren Abgase in der Abgasleitung verbrannt
werden.
In Gießereien und Umschmelzwerken für Gußeisen, Kupfer, Blei,
Aluminium etc. kommen sehr häufig brennerbeheizte Schmelzöfen
zum Einsatz. Wird beispielsweise in einem Drehtrommelofen
Gußeisen geschmolzen, so wird eine Charge von ca. 2 bis 10 t
mittels Öl- oder Gasbrennern in einer langsam um ihre Längs
achse rotierenden, waagrecht liegenden und feuerfest ausge
kleideten Trommel auf eine Abstichtemperatur von etwa 1500°C
erhitzt. Die Beheizung der Drehtrommelöfen erfolgt meist durch
Brenner, die sich an der Stirnseite des Ofens befinden und
deren Flamme in das Innere des Ofens reicht. Durch eine meist
an der gegenüberliegenden Seite des Brenners befindliche
Öffnung entweichen die Abgase aus dem Ofen durch eine Rohr
leitung zum Kamin.
Beim Betrieb derartiger Industrieöfen fallen große Mengen
Kohlenmonoxid in den Abgasen an, wobei die Menge des freige
setzten Kohlenmonoxids von dem Sauerstoff-Gehalt im Ofen, der
Ofentemperatur, dem zu schmelzenden Einsatzgut, der Drehbe
wegung des Ofens und den eventuell zugegebenen Aufkohlungs
mitteln abhängt. Neben CO ist im geringeren Maße auch Wasser
stoff in den aus dem Ofen austretenden Abgasen enthalten, der
zu seiner Verbrennung Sauerstoff verbraucht. Der Wasserstoff
stammt aus Verbrennungsreaktionen, aus dem Brennstoff und aus
Kunststoffen und Ölen, die dem Einsatzgut häufig anhaften.
Bisher wird das im Abgas der Industrieöfen vorhandene Kohlen
monoxid (sowie der Wasserstoff) in den Abgasleitungen ver
brannt. Die Flammenausbildung in den Abgasrohrleitungen führt
zu einer starken thermischen Belastung der nachgeschalteten
Filter. Die Gewebefilter überhitzen oder die Filteranlage
schaltet ab.
Außerdem ist das Verbrennen des Kohlenmonoxids in den Abgas
leitungen energetisch für den Betrieb des Industrieofens un
günstig. Erstrebenswert wäre die Verbrennung des Kohlen
monoxids im Innenraum des Ofens. Die dadurch freigesetzte
Energie könnte dann zu Einsparungen an Brennstoff führen.
Aufgrund der stark schwankenden freigesetzten CO-Menge im Ofen
ist eine geregelte Kohlenmonoxid-Verbrennung bisher unmöglich.
Das Sauerstoffangebot im Ofen müßte nämlich ständig mit der
freigesetzten CO-Menge korreliert sein. Gleiches gilt für den
in geringerem Maße freiwerdenden Wasserstoff. Bei einem stän
digen Überangebot an Sauerstoff kommt es hingegen zu einem
Abbrand von Legierungselementen, beispielsweise beim Gußeisen
schmelzen. Der dauerhafte Einsatz von Gasanalysatoren, die den
jeweiligen CO-Gehalt der Ofenatmosphäre messen, wird aufgrund
der starken Staub- und Rußentwicklung, wodurch sich Partikel
auf der wassergekühlten Meßgaslanze sowie in der anschließenden
Meßgasaufbereitung und den Analysatoren niederschlagen, un
möglich.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes
Verfahren zum Betreiben von Industrieöfen, deren Abgase in der
Abgasleitung verbrannt werden, zu entwickeln, durch das die
obengenannten Nachteile vermieden werden und insbesondere ein
energetisch günstigerer Ofenbetrieb ermöglicht sowie die
thermische Belastung der Abgasfilter herabgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Temperatur des Abgases kontinuierlich gemessen und bei
Überschreiten eines vorgegebenen Sollwertes der gemessenen
Abgastemperatur der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre des
Industrieofens erhöht wird.
Messungen des CO-Gehalts im Rauchgas an der Abgasseite des
Ofens und Temperaturmessungen in der Abgasrohrleitung zum
Kamin zeigen, daß beide Werte einen direkten Zusammenhang
aufweisen.
Dieser Zusammenhang soll im folgenden für den Fall verdeutlicht
werden, in dem das im Abgas vorhandene CO (sowie der Wasser
stoff) mittels Luft, die durch Öffnungen in den Abgasleitungen
in diese eindringen kann, verbrannt wird: Bei niedrigem CO-Ge
halt im Rauchgas wird letzteres durch die in die Abgasleitung
einströmende Luft überwiegend abgekühlt, wodurch auch die
Temperatur der Abgase niedrig bleibt. Bei hohem CO-Gehalt im
Rauchgas wird das CO durch den Sauerstoff der zugeführten Luft
überwiegend nachverbrannt, wodurch keine Abkühlung des Abgases
eintritt. Die Abgastemperatur kann dann beim erwähnten Guß
eisenschmelzen Werte von 600°C übersteigen. Das Geschilderte
gilt gleichermaßen für den Fall, daß ein anderes Oxidations
mittel als Luft zum Verbrennen der Abgase in der Abgasleitung
verwendet wird.
Erfindungsgemäß kann somit die gemessene Temperatur des Ab
gases an einer Stelle in der Rohrleitung zum Kamin mit dem
relativen CO-Gehalt in der Ofenatmosphäre (bei Vernachlässigung
des H2-Gehalts) gleichgesetzt werden. Dadurch ergibt sich
eine einfache und wartungsfreie Methode, um den CO-Gehalt im
Ofeninneren laufend zu überwachen.
Der mit einem hohen Wartungsaufwand verbundene und störanfäl
lige Einsatz von Gasmeßvorrichtungen zur CO-Bestimmung im
Ofeninneren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gänzlich
überflüssig.
Die Erfindung ermöglicht nunmehr erstmals die vorteilhafte
Möglichkeit des geregelten Verbrennens des in der Atmosphäre
von Industrieöfen freigesetzten Kohlenmonoxids. Dabei ist an
sämtliche Prozesse, bei denen Kohlenmonoxid (und Wasserstoff)
in den Ofenatmosphären entsteht, und welches anschließend im
Abgas verbrannt wird, gedacht. Zum geregelten Verbrennen des
Kohlenmonoxids und des Wasserstoffs wird bei Überschreiten
eines vorgegebenen Sollwertes der gemessenen Abgastemperatur
der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre des Industrieofens
erhöht.
Der Sauerstoffanteil in der Ofenatmosphäre kann durch direktes
Eindüsen beispielsweise über Lanzen von Sauerstoff oder einem
sauerstoffhaltigen Gas in das Innere des Ofens erhöht werden.
Bei Industrieöfen, die mit Sauerstoff-Brennstoff-Brennern
beheizt werden, kann vorteilhafterweise der Sauerstoff direkt
über den Brenner dem Ofeninneren zugeführt werden. Übersteigt
die gemessene Abgastemperatur den vorgegebenen Sollwert, so
wird durch eine entsprechende Regelstrecke solange zusätzlicher
Sauerstoff in das Ofeninnere eingeleitet, bis die Abgastempera
tur den Sollwert wieder unterschreitet.
Das nunmehr im Ofeninneren verbrennende Kohlenmonoxid, das nun
vollständig oxidiert wird, und der verbrennende Wasserstoff
setzen Energie frei und erhöhen damit die Temperatur im In
dustrieofen. Dies führt zu verkürzten Prozeßzeiten sowie zur
Energieeinsparung. Zudem wird der CO-Anteil im Abgas ver
ringert, wodurch die Abgastemperatur sinkt und die nachge
schalteten Abgasfilter thermisch nicht mehr überlastet werden
können.
Andererseits kann vorteilhafterweise auch bei Überschreiten
des vorgegebenen Sollwertes der gemessenen Abgastemperatur die
Menge an Brennstoff, die den Brennern zugeführt wird, bei
konstant gehaltener Sauerstoff-Zufuhr reduziert werden. Daraus
ergibt sich eine direkte Brennstoffeinsparung beim Befeuern
des Industrieofens.
Die geeignete Sollwerttemperatur wird sinnvollerweise bei
einer ersten Inbetriebnahme des Industrieofens durch einen
Versuch ermittelt. Dazu kann ein Thermoelement beispielsweise
hinter der letzten Zufuhröffnung für Luft oder für ein anderes
Oxidationsmittel in der Abgasrohrleitung in dieselbige einge
bracht werden. Dann wird die Temperatur des mit der Luft bzw.
dem Oxidationsmittel verbrennenden Abgases ermittelt. Die
jeweilige Temperatur entspricht dem relativen CO-Gehalt
zuzüglich des H2-Gehalts im Ofeninneren. Je nach Art des
Betriebs des Industrieofens wird ein Sollwert im Bereich von
120 bis 650°C gewählt. Beim Gußeisenschmelzen liegt er auf
grund der Maximaltemperatur für die nachgeschaltete Filter
anlage je nach der sich dem Thermoelement anschließenden
Rohrlänge der Abgasleitungen bei etwa 150 bis 250°C.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäße
Verfahren näher erläutern.
In der einzigen Zeichnung sind schematisch ein Drehtrommelofen
1, der diesen beheizende Brenner 2, die den Brenner mit Sauer
stoff und Brennstoff versorgenden Leitungen 3 bzw. 4, die
Abgasrohrleitung 10 sowie darin befindliche Luftspalte 6 und 7
dargestellt. Hinter dem letzten Luftspalt 7 ist im Inneren der
Abgasleitung 10 ein Thermoelement 8 angeordnet, das mit dem
Meßwertaufnehmer 9 verbunden ist.
Beim Schmelzen von Gußeisen in dem Drehtrommelofen 1 wird
dieser mit einer Charge von 3 t beladen und das Einsatzgut 5
mittels des Öl-Sauerstoffbrenners 2 innerhalb von etwa 2,5 h
auf eine Abstichtemperatur von etwa 1500°C erhitzt.
Der im Einsatzgut enthaltene Kohlenstoff wird während des
Schmelzens durch den Sauerstoff der Ofenatmosphäre teilweise
zu Kohlenmonoxid und Kohlendioxid oxidiert, so daß zum
Ausgleich des Kohlenstoff-Verlustes Aufkohlungsmittel dem
Einsatzgut zugegeben werden müssen. Messungen des CO-Gehaltes
im trockenen Rauchgas ergeben in diesem Beispiel Maximalwerte
von 35% Kohlenmonoxid im Abgas direkt an der Ofenstirnseite.
Zunächst wird mittels Thermoelement 8 und Meßwertaufnehmer 9
eine gewisse Zeit die Temperatur des mit Luft in der Abgas
leitung 10 verbrennenden Abgases gemessen. Je nach Länge der
Abgasrohrleitung 10 hinter dem Thermoelement 8 erweisen sich
Sollwerttemperaturen von 150°C bis 250°C als sinnvoll. Einge
stellt wird in diesem Fall eine Sollwerttemperatur von 230°C
am nicht dargestellten Regler. Dieser Regler ist mit einem
Regelventil in der O2-Zufuhrleitung 3 zum Brenner 2
verbunden.
Übersteigt nun die gemessene Temperatur die vorgegebene
Sollwerttemperatur, so wird erfindungsgemäß der Sauerstoff
anteil in der Atmosphäre des Ofens 1 erhöht. Dies erreicht man
durch überstöchiometrische Verbrennung des Brennstoff-
Sauerstoff-Gemisches im Ofen 1. In diesem Beispiel wird also
immer dann, wenn der CO- (und H2)-Anteil im Ofeninneren über
eine gewisse Grenze ansteigt, die Sauerstoffzufuhr zum Brenner
2 erhöht, so daß das Kohlenmonoxid vollständig zu Kohlendioxid
oxidiert werden kann (und der Wasserstoff verbrennt). Die
dabei bisher in der Abgasleitung 10 freigewordene Energie wird
durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits im Ofen 1
freigesetzt. Dadurch sinkt die Abgastemperatur und der
Regelkreis erniedrigt wiederum die Sauerstoffzufuhr zum
Brenner 2.
Die erfindungsgemäß geregelte CO-Verbrennung im Drehtrommel
ofen 1 hat mehrere Vorteile:
Die freiwerdende Verbrennungsenergie des Kohlenmonoxids kann
noch im Ofen 1 genutzt werden. Mit sinkendem CO-Gehalt im Ofen
1 wird auch die dem Ofen 1 zugeführte Sauerstoffmenge
gedrosselt, so daß ein Abbrand von Legierungselementen
verhindert wird. Die Abgastemperatur wird während des gesamten
Betriebs des Drehtrommelofens 1 geringer, so daß die Filter
nicht mehr thermisch überlastet werden. Das Abgasvolumen wird
geringer, da das Kohlenmonoxid im Ofen 1 mit Sauerstoff
anstatt mit Luft in den Abgasleitunugen 10 verbrannt wird.
Schließlich benutzt das erfindungsgemäße Verfahren eine
einfache Temperaturmessung zur Bestimmung des relativen
Kohlenmonoxid-Gehaltes im Ofen anstelle der technisch schwer
beherrschbaren Gasanalytik der Schmelzofenatmosphäre.
Claims (7)
1. Verfahren zum Betreiben von Industrieöfen, deren Abgase in
der Abgasleitung verbrannt werden, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Temperatur des Abgases kontinuierlich
gemessen und bei Überschreiten eines vorgegebenen Soll
wertes der gemessenen Abgastemperatur der Sauerstoffgehalt
in der Atmosphäre des Industrieofens (1) erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Überschreiten eines vorgegebenen Sollwertes der
gemessenen Abgastemperatur ein sauerstoffhaltiges Gas oder
reiner Sauerstoff in die Atmosphäre des Industrieofens (1)
eingeleitet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 für Industrieöfen,
die mit Sauerstoff-Brennstoff-Brennern beheizt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines
vorgegebenen Sollwertes der gemessenen Abgastemperatur die
Menge an Sauerstoff, die den Brennern (2) zugeführt wird,
erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Industrie
öfen, die mit Sauerstoff-Brennstoff-Brennern beheizt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten
eines vorgegebenen Sollwertes der gemessenen Abgastempera
tur die Menge an Brennstoff, die den Brennern (2) zuge
führt wird, reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für Industrie
öfen zum Gußeisenschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sollwert der gemessenen Abgastemperatur vorzugsweise
im Bereich von 150 bis 250°C gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abgase des Industrieofens (1) mit
in die Abgasleitung (10) eindringender Luft verbrannt
werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abgase des Industrieofens (1) mit
einem in die Abgasleitung (10) eingespeisten Oxidations
mittel verbrannt werden.
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