DE4236619A1 - Verfahren und Regenerator zum Aufheizen von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Regenerator mit ei­ ner zwischen zwei koaxialen zylinderförmigen Rosten ringförmig angeordneten Wärmespei­ chermasse aus Schüttgut, einem von dem inneren, heißen Rost eingeschlossenen heißen Sammelraum für die heißen Gase und einem, zwischen dem äußeren, kalten Rost einerseits und der Außenwandung des Regenerators andererseits eingeschlossenen kalten Sammel­ raum für die kalten Gase sowie einen solchen Regenerator.

Bei einem solchen Regenerator werden die heißen bzw. kalten Gase im Gegensatz zu den sonst üblichen Winderhitzern in radialer Richtung durch die Wärmespeichermasse hin­ durchgeführt, und zwar in der Aufheizphase vom heißen Sammelraum im Inneren des Re­ generators zum äußeren, kalten Sammelraum und beim Kaltblasen des Regenerators in umgekehrter Richtung. Die aufzuheizenden Gase können auch Gasgemische sein, welche auch Anteile von Dämpfen, insbesondere Wasserdampf, enthalten.

Ein solcher Regenerator ist in der US-PS 2,272,108 beschrieben. Die quantitative, hier aber nicht dargelegte Ausführung des darin angegebenen Fallbeispiels ergibt, daß der Regene­ rator nach der Beschreibung in dieser US-Patentschrift in der Praxis vollständig versagen würde. Qualitativ läßt die Auswertung erkennen, daß die gewählte Gasgeschwindigkeit beim Durchströmen der Wärmespeicherschicht viel zu gering gewählt ist und darüber hinaus die oben genannte Korngröße des Schüttgutes der Wärmespeichermasse zu groß ist. Diese Werte führen nämlich zu einem viel zu geringen Druckverlust des Gases in der Schüttung. So nimmt der Gasdruck im kalten Sammelraum mit der Höhe ab, während dieser Effekt, auch als "Kamineffekt" bekannt, im heißen Sammelraum zu vernachlässigen ist. In dem Fallbeispiel beträgt der durch diesen "Kamineffekt" verursachte Druckunterschied ein Vielfa­ ches des Druckverlustes in der Schüttung mit der Folge, daß beim Aufheizen des Regene­ rators die Heizgase nur oben durch die Schüttung strömen würden, während im unteren Be­ reich sogar eine Rückströmung zu erwarten ist. Beim Heißwindbetrieb, also während des Kaltblasens, kehren sich die Verhältnisse um, d. h., nur der untere Bereich der Schüttung würde beaufschlagt werden. Aus diesen Ergebnissen folgt zwangsläufig der Schluß, daß der in der US-PS 2,272,108 beschriebene Regenerator völlig versagen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das eingangs genannte Verfahren wie auch den vorbe­ schriebenen Regenerator dahingehend zu verbessern, daß die durch den "Kamineffekt" be­ wirkten Nachteile vermieden und insbesondere bei einer deutlich geringeren Bauhöhe des Regenerators dessen Leistungen erhöht werden.

Diese Aufgabe wird bei dem vorbeschriebenen Verfahren dadurch gelöst, daß der Anstieg des Druckverlustes während der Heiz-Phase mindestens 5 mal so groß wie der Betrag aus ρ·g·H, wobei H die Regeneratorhöhe und ρ die Gasdichte bei einer Temperatur von 20°C und g die Erdbeschleunigung ist, und die Durchsatzleistung des Gases mindestens 300 Nm³/h·m² Fläche des heißen Rostes bei Normaldruck beträgt.

Die Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens hat gezeigt, daß sich eine im Ge­ gensatz zu bekannten Winderhitzern vollkommen unterschiedliche Temperaturverteilung im Schüttgut ergibt, bei diesen verläuft sie nämlich linear, nach dem vorgeschlagenen Verfah­ ren dagegen S-förmig. Diese in Fig. 1 dargestellte S-förmige Temperaturverteilung beinhal­ tet zum einen den Vorteil, daß der Temperaturabfall des Heißwindes während des Kaltbla­ sens sehr gering ist, zum anderen jedoch die Änderung der Durchschnittstemperatur der gesamten Schüttung mit ca. 600°C sehr hoch ist. Bei den bisher bekannten Winderhitzern beträgt die Änderung der Durchschnittstemperatur dagegen nur ca. 100°C woraus folgt, daß die S-förmige Temperaturverteilung im Gegensatz zur linearen Temperaturverteilung die 6fache Menge an Wärmeenergie speichert. Dieses Ergebnis läßt zu, die Wärmespei­ chermasse auf ein Sechstel zu reduzieren.

Weiter bewirkt diese Lösung, daß der vorbeschriebene "Kamineffekt" weniger ins Gewicht fällt bzw. sogar ausgeschlossen werden kann. Vorteilhaft ist, wenn die Differenz Δ ²P aus ΔP_warm (Druckabfall des Regenerators am Ende der Heiz-Phase) und ΔP_kalt (Druckabfall des Regenerators vor Beginn der Heiz-Phase) groß gegen ρ·g·H ist. Quantita­ tiv sollte angestrebt werden, daß für

Δ²P/ρ·g·H=10 bis 20

erreicht wird.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung des Verfahrens wird die Kühlphase, d. h. das Kaltblasen, mit Überdruck durchgeführt.

Bei dieser, z. B. bei der Anwendung des Verfahrens zur Hochofen-Winderhitzung notwendi­ gen Betriebsform erhöht sich die Durchsatzleistung für das aufzuheizende Gas um den Faktor , ohne daß die Wärmeübertragung schlechter wird. Wird beispielsweise Hoch­ ofenwind mit 5 bar erzeugt, kann der Durchsatz 5000 Nm³/h m² bzw. 2500 kW/m² betra­ gen. Mit einem Regenerator von 20 m² Rostfläche kann eine Heißwindmenge von 100 000 Nm³/h erzeugt werden.

Das Aufheizen der Wärmespeichermasse wird hingegen aus ökonomischen Gründen nur bei Normaldruck erfolgen, aus diesem Grunde müssen drei Regeneratoren gleichzeitig be­ heizt werden, während ein vierter Regenerator gerade kaltgeblasen wird.

Vorteilhaft wird die Korngröße des Schüttgutes kleiner als 15 mm gewählt.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung des Verfahrens wird bei Teillastbetrieb die Heiz-Phase mit voller Leistung durchgeführt, nach der Kaltblas-Phase werden Pausen eingelegt.

Diese Verfahrensausbildung erlaubt es, mit der gewünschten gedrosselten Leistung zu fah­ ren, wobei nämlich das Wärmegleichgewicht beider Phasen durch die Pausen nach dem Kaltblasen hergestellt wird, und auch einen Brenner für die Beheizung des Regenerators zu verwenden, der gegenüber den bei den bisher üblichen Winderhitzern verwendeten Bren­ nern nur einen sehr begrenzten Regelbereich aufweist.

Die der Erfindung weiter gestellte Aufgabe wird bei einem für die Durchführung des Ver­ fahrens geeigneten Regenerator dadurch gelöst, daß der äußere Durchmesser der ringför­ migen Wärmespeichermasse höchstens doppelt so groß wie der innere Durchmesser ist.

Diese Ausbildung der Dicke der Wärmespeicherschicht beeinflußt die oben bereits näher erläuterte Größe Δ²P. Diese Größe wird nämlich bei einem größeren als dem genannten Durchmesser-Verhältnis klein. Berechnungen und Versuche haben ergeben, daß dieses Verhältnis den Wert 2 nicht wesentlich übersteigen sollte.

Vorteilhaft wird der Regenerator mit einem Vormischbrenner beheizt.

Die Verwendung eines solchen Brenners gewährleistet, daß der heiße Sammelraum des Regenerators als Brennraum vollständig ausreicht und die Verbrennung sowohl lautlos wie auch ohne Pulsationen erfolgt. Im übrigen wird die Baugröße des Regenerators durch die Verwendung eines solchen Vormischbrenners nicht nachteilig beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel des Brenners ist in Fig. 2 dargestellt und wird nachstehend näher erläutert.

Der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Regenerator 1 weist ein Gehäuse 2 in der Form eines aufrechtstehenden Zylinders auf, welcher beispiels­ weise mittels Stützen 3 aufgeständert sein kann.

Der Innenraum des Gehäuses 2 ist im wesentlichen durch zwei zylindrisch ausgebildete und in einem Abstand voneinander konzentrisch angeordnete Roste 4 bzw. 5 in einen zylindri­ schen inneren, heißen Sammelraum 6, einen die schüttgutförmige Wärmespeichermasse aufnehmenden ringförmigen Zwischenraum 7 und einen, von der Wandung des Gehäuses 2 mit dem Rost 5 gebildeten ringförmigen äußeren, kalten Sammelraum 8 unterteilt.

Im ausgemauerten Bodenbereich 9 des Gehäuses 2 sind Zuführungen 10 für die Heizgase vorgesehen, die von einem Vormischbrenner 11 erzeugt werden, der wiederum von einem Gas-Luft-Mischrohr 12 versorgt wird.

Der innere, heiße Sammelraum 6 endet im oberen Bereich des Gehäuses 2 des Regenera­ tors 1 in einen Heißwind-Auslaß 13, der äußere Sammelraum 8 ist mit einem Abgaskamin 14 verbunden, aus welchem die Heizgase austreten können, nachdem sie durch das Wärmespeichermedium im Zwischenraum 7 hindurchgetreten sind.

Das Gas-Luft-Mischrohr 12 ist mit einem Ventilator 15 verbunden, welcher sowohl die Luft für die Heiz-Phase wie auch für die Kaltblas-Phase erzeugt. In der Heiz-Phase wird die Luft durch das Gas-Luft-Mischrohr 12 geführt und mit Heizgas vermischt, welches durch den Gas-Injektor 16 in das Gas-Luft-Mischrohr 12 eingeführt wird.

Nach Beendigung der Heiz-Phase werden die Ventile 17, 18 und 19 geschlossen, das Ventil 20 sowie der Auslaß 13 dagegen geöffnet, so daß dann die Kaltblas-Phase beginnen kann. Nach Beendigung der Kaltblas-Phase werden die geöffneten Verschlüsse wieder geschlos­ sen und die vorher geschlossenen Ventile geöffnet, so daß dann die Heiz-Phase wieder beginnen kann.

Das Schüttgut der Wärmespeichermasse besteht aus einer Pebbel-Füllung mit einer Korn­ größe, die nicht über 15 mm hinausgeht, wobei der äußere Durchmesser der ringförmigen Wärmespeichermasse nicht mehr als doppelt so groß ist wie der innere Durchmesser.

Obwohl die Wärmespeichermasse dieses Regenerators annähernd auf ein Sechstel der Wärmespeichermasse bei bisher üblichen und vertikal beaufschlagten Winderhitzern redu­ ziert ist, wird die gleiche Menge an Wärmeenergie gespeichert, dies folgt aus der S-förmigen Temperaturverteilung gemäß Fig. 1. Diese Temperaturverteilung unterscheidet sich grund­ sätzlich von der bekannter Winderhitzer, die im wesentlichen linear verläuft. Die S-förmige Temperaturverteilung bietet zwei entscheidende Vorteile gegenüber der linearen Verteilung, zum einen ist nämlich der Temperaturabfall des Heißwindes während der Kaltblas-Phase sehr gering, zum anderen ist die Änderung der Durchschnittstemperatur der gesamten Schüttung mit ca. 600°C sehr hoch. Die S-förmige Temperaturverteilung ist aber neben der vorgegebenen Korngröße der Peppel-Füllung auch von einem bestimmten Mindest­ durchsatz an Gas abhängig. Dieser Mindestdurchsatz liegt bei einer Leistung von 300 Nm³/h·m². Diese entspricht bei einer Windtemperatur von 1200°C einer spezifischen Lei­ stung von 150 kW/m², die nicht unterschritten werden sollte. Mit steigender Leistung wird das S-förmige Temperaturprofil eindeutig steiler. Als besonders günstiger Betriebspunkt er­ gab sich die Durchsatzleistung von 1000 Nm³/h·m², bei einem Druckverlust von 1000 bis 1600 Pascal. Eine Steigerung der Durchsatzleistung bis 2000 Nm³/h·m² ist ohne Minde­ rung der Wärmeübertragung unter Inkaufnahme eines Druckverlustes von 3000 bis 5000 Pascal möglich. Diese Leistungsgrenze gilt für den Betrieb bei Normaldruck.

Der Betrieb bei erhöhtem Druck zeigte das überraschende Ergebnis, daß der Durchsatz weiter, und zwar proportional zum Absolutdruck, gesteigert werden kann, ohne daß die Da­ ten für die Wärmeübertragung schlechter werden. Wird beispielsweise Hochofenwind mit 5 bar erzeugt, kann der Durchsatz 5000 Nm³/h·m² bzw. 2500 kW/m² betragen. So kann mit einem Regenerator von 20 m² Rostfläche eine Heißwindmenge von 100 000 Nm³/h er­ zeugt werden.

Nachdem allerdings die Beheizung des Regenerators in der Regel bei Normaldruck erfolgt, müssen drei Generatoren gleichzeitig beheizt werden, so daß für den kontinuierlichen Be­ trieb zur Erzeugung von Heißgasen insgesamt vier Regeneratoren erforderlich sind. Diese Regeneratoren weisen lediglich einen Durchmesser von 4 m bei einer Höhe von 5 m auf, während die bisher verwendeten Winderhitzer gleicher Leistung einen Durchmesser von 8 m und eine Höhe von 30 m aufweisen.

Ein Teillastbetrieb der Regeneratoren ist allerdings nur dadurch zu realisieren, daß zwar in der Heiz-Phase mit voller Leistung gefahren wird, nach der Kaltblas-Phase jedoch gegebe­ nenfalls Pausen eingelegt werden müssen. Dies ergibt sich daraus, daß wegen der geringen Baugröße des Regenerators die Verwendung eines üblichen Brenners für die Regenerator­ beheizung nicht möglich war, da ein solcher Brenner ein größeres Bauvolumen aufweist als der Regenerator selbst. Es wird deshalb ein sogenannter Vormischbrenner verwendet, bei welchem Heizgas und Verbrennungsluft vor der Zündung im kalten Zustand vollständig mit­ einander vermischt und erst nach der Mischung gezündet werden. Für den sicheren Betrieb eines solchen Vormischbrenners ist erforderlich, daß eine Mindestgasgeschwindigkeit nicht unterschritten wird, um dadurch eine Rückzündung des Gemisches sicher zu vermeiden. Hieraus folgt, daß ein solcher Vormischbrenner nur einen sehr begrenzten Regelbereich hat.

Die deshalb bei einem Teillastbetrieb erforderlichen Pausen sind am günstigsten nach dem Kaltblasen des Regenerators einzulegen.

Schließlich stellte sich noch bei dem Betrieb eines solchen Regenerators heraus, daß die Temperatur des Heißwindes nur 20°C unter der theoretischen Flammentemperatur lag und über die Windphase weitgehend konstant blieb. Dies bedeutet, daß auch bei einem Tempe­ raturverlust eine Verbesserung um einen Faktor 10 erreicht wurde, ähnlich wie dies bei der Baugröße der Fall ist. Der Wärmewirkungsgrad wurde von 85% bei den herkömmlichen Winderhitzern auf 95% bei dem erfindungsgemäßen Regenerator verbessert.

Claims (6)

1. Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Regenerator mit einer zwischen zwei ko­ axialen zylinderförmigen Rosten angeordneten, ringförmigen Wärmespeichermasse aus Schüttgut, einem von dem inneren, heißen Rost eingeschlossenen heißen Sammelraum für die heißen Gase und einem, zwischen dem äußeren, kalten Rost einerseits und der Wan­ dung des Gehäuses des Regenerators andererseits eingeschlossenen kalten Sammelraum für die kalten Gase, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg des Druckverlustes wäh­ rend der Heiz-Phase mindestens 5 mal so groß ist wie der Wert aus ρ·g·H, wobei ρ die Gasdichte bei einer Temperatur von 20°C, g die Erdbeschleunigung und H die Höhe des Regenerators ist, und die Durchsatzleistung für das Gas mindestens 300 Nm³/h · m² Fläche des heißen Rostes bei Normaldruck beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltblas-Phase mit Über­ druck durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Schütt­ gutes kleiner als 15 mm gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Teillastbetrieb die Heiz-Phase mit voller Leistung durchgeführt wird und nach der Kaltblas-Phase Pausen ein­ gelegt werden.

5. Regenerator zum Aufheizen von Gasen mit einer zwischen zwei koaxialen zylinderförmi­ gen Rosten (4 bzw. 5) angeordneten ringförmigen Wärmespeichermasse aus Schüttgut, ei­ nem von dem inneren, heißen Rost (4) eingeschlossenen heißen Sammelraum (6) für die heißen Gase und einem, zwischen dem äußeren, kalten Rost (5) einerseits und der Wan­ dung des Gehäuses (2) andererseits eingeschlossenen kalten Sammelraum (8) für die kal­ ten Gase, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der ringförmigen Wär­ mespeichermasse höchstens doppelt so groß wie der innere Durchmesser ist.

6. Regenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Vormisch­ brenner (11) beheizt wird.