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Beheizungsverfahren für Öfen Es ist bekannt, daß in technischen Feuerungen,
die zur Erwärmung von vorwiegend eisenhaltigem Werkstoff benutzt werden, eine merkbare
Verzunderung des Wärmgutes, worin auch Glühgefäße einbegriffen sind, eintritt, wenn
der verwendete Brennstoff Verbrennungsprodukte mit einem hohen Wassergehalt ergibt,
und zwar auch dann, wenn die Beheizung in bekannter Weise ohne Luftüberschuß oder
sogar mit Luftmangel betrieben wird. Diese Erscheinung rührt von der bekannten Zersetzung
des Wassers her, die in Gegenwart von Eisen schon bei niedrigeren Temperaturen eintritt
und nach der Gleichung
freien Sauerstoff ergibt, der eine Oxydation des Eisens bewirkt. Dabei ist es unwesentlich,
ob der Wasserdampf ganz oder teilweise aus der natürlichen Feuchtigkeit des Brennstoffes
stammt.
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Über den Umfang dieser Zersetzung unter den vorliegenden Verhältnissen
lassen sich aus dem Abbrand, dessen Höhe erfahrungsgemäß bekannt ist, Rückschlüsse
ziehen, wie nachstehendes Beispiel zeigt.
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Ein Blechwärmofen sei mit Koksofengas beheizt und habe eine Leistung
v an i ooo kg; S td. bei einemGasverbrauch von6ocbm/Std. Wenn ein in diesem Falle
durchaus unzulässiger Abbrand von 10/" also io kg Fe/Std. (von den Eisenbegleitern
sei der Einfachheit halber abgesehen) angenommen wird, der nur aus der Zersetzung
von H20 herrühren soll, so müssen, die höchste Oxydationsstufe des Eisens angenommen,
nach der stöchiometrischenGleichung 2 X 56 kg Fe + 3 X 16 kg O i 6o kg Fee
0,
für i kg Abbrand
kg= 0,3 cbm Sauerstoff, für io kg also 3 cbm frei geworden sein. Da nach
der Gleichung 18 kg N20 Y 2 kg H2 -E- 16 kg O für i kg Sauerstoff
kg H20 zersetzt werden müssen, wobei
H2 entstehen, gelangen im vorliegenden Fall
zur Zersetzung, wobei
frei werden.
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Da die Feuergase aus Koksofengas bei theoretischer Verbrennung rd.
23% H20 enthalten und bei 4000 WE u. H. aus i cbm Koksofengas 4,8 cbm Feuergase
entstehen, liefern die 6o cbm Koksofengas unseres Beispiels 288 cbm Feuergas mit
66,2 cbm H20. Der Umfang der Zersetzung oder der Dissoziationsgrade errechnet sich
somit zu
rd. g "/'0 .
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Aus i oo cbm Feuergasen, die im undissoziierten Zustand rd.
7% C02, 230i0 H20 und 7001o Nz
enthalten, entstehen somit
im Falle eines Dissoziationsgrades von
| 9010 7 cbm CO, |
| 0,91 # 23 - ' 21 - H,0 |
| 23-2I- 2 - H2 |
| i - 02 |
| 70 - N2 |
| i o i cbm Feuergas. |
Da die Reaktion H20 .< T H2 -@- O umkehrbar ist, hängt der Verlauf unter sonst
gleichen Bedingungen nach demMassenwirkungsgesetz von den Konzentrationsverhältnissen
der beteiligten Stoffe, also H20, H2 und O= ab, genau genommen auch von den an der
nebenher verlaufenden Reaktion
| CO, ' C2 -f- O und 2 Fe > 30 -f- Fe2O3 |
beteiligten Stoffen.
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Von Rosin istbereitsnachgewiesenworden, daß bei hoher H20-Konzentration
die Rückwirkung der CO,-Reaktion sehr schwach ist. Die Konzentration von Fe ist
von den Betriebsbedingungen abhängig und deshalb nicht zu beeinflussen. Um die H20-Zersetzungsreaktion
abzuschwächen, kann also nur auf eine erhöhte Konzentration von H2 hingewirkt werden,
da eine Erhöhung der 0,-Konzentration natürlich zwecklos wäre, da sie ja unmittelbar
verstärkten Abbrand zur Folge haben müßte.
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Aus obigen Ausführungen geht ohne weiteres hervor,. daß alle zur Verminderung
des Abbrandes bisher bekannten Verfahren, die stets ein Arbeiten mit Luftmangel
oder, was dasselbe ist, mit Gasüberschuß bezweckten, bei Feuergasen mit hoher H20-Konzentration
keinen oder nur geringen Erfolg haben können, denn erfahrungsgemäß verbrennt bei
stark H2 haltigen Brenngasen auch bei Luftmangel der leicht entzündliche Wasserstoff
fast vollkommen. Der Gasüberschuß besteht dann hauptsächlich aus CO, beeinflußt
also nur die CO.-Zersetzungsreaktion, die ihrerseits nur schwachen Einfluß auf die
H20-Reaktion hat. Stammt der H20-Gehalt aus der natürlichen Feuchtigkeit des Brennstoffes,
so wird durch denGasüberschuß die H.0-Konzentration nur noch mehr verstärkt, da
die Luft meist nur geringen H20-Gehalt aufweist. Man könnte erwarten, daß freies
C0 den aus der H20-Zersetzung frei werdenden Sauerstoff bindet. Die praktische Erfahrung
beweist aber, daß das nicht der Fall ist. Die relativ schlechte Verbrennlichkeit
des CO steht dem anscheinend entgegen.
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Bei vorwiegend C O,- haltigen Feuergasen dagegen muß aus den gleichen
Erwägungen das bisherige Verfahren Erfolg haben, da in diesem Fall die Verzunderung
hauptsächlich von der C02 Zersetzung herrührt, die durch die CO-Konzentration gehindert
wird.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Arbeitsverfahren, das bei stark
H20-haltigen Feuergasen eine Verstärkung der 11,-Konzentration erreicht und dadurch
die Reaktion H20 .@ r H2 -f- O in rückläufigem Sinne beeinflußt, so daß Oxydationen
vermieden werden. Das geschieht durch Einführung von H2 als Schutzgas in den Ofenraum
derart, daß es sich erst mit den vollständig ausgebrannten Feuergasen vermischt.
Da der Luftsauerstoff restlos im Brenner zur Verbrennung des zur Beheizung dienenden
Brennstoffes verbraucht wird, tritt eine Konzentrationserhöhung um H2 tatsächlich
ein. Es braucht natürlich nicht reines H2 eingeführt werden, sondern es genügt ein
stark H2 haltiges Gas, wobei auch H2 in chemisch gebundener Form vorliegen kann,
vorausgesetzt, daß unter den gegebenen Verhältnissen der gebundene H2 auch frei
wird. Besonders einfach liegen die Verhältnisse bei mit Koksofengas beheizten Ofen,
das sowohl freies als auch in leicht zersetzlicher Form chemisch gebundenes H2,
nämlich in Form von CH" in genügender Konzentration enthält. In solchen Fällen
kann Heizgas und Schutzgas der gleichen Quelle entnommen werden, wodurch sich eine
praktisch einfache und billige Ausführungsform ergibt.
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Die wirtschaftliche Tragbarkeit des Verfahrens ergibt sich aus nachstehender
Rechnung: In dem oben aufgeführten Beispiel eines Blechwärmofens seien io
% Schutzgas in Form von Koksofengas eingeführt. Bei einem Gehalt des Koksofengases
von 53010 H2 und 280/0 CH4 werden je ioo cbm Feuergase
und
eingeführt. Da CH, schon bei iooo° C in nicht umkehrbarer Reaktion in C + q. H zerfällt,
wobei nach dem stöchiometrischen Verhältnis
frei werden, liefern
Es würde also die Konzentration von H., die oben bei 9 % Dissoziationsgrad
mit rd. 2 cbm H2 je ioi cbm Feuergas sich ergibt, um 1,1 + 1,117=2,217 cbm auf 4,217
je 103 cbm oder auf rd. 4 cbm je ioo cbm, d. h. um 100010, erhöht. Zweifellos
muß auf Grund des Massenwirkungsgesetzes hierdurch eine erhebliche Behinderung der
H20-Zersetzung eintreten.
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Wenn auch diesen Rechnungen mehr qualitative Bedeutung zukommt, so
wird die Richtigkeit der Theorie erhärtet durch praktische Versuche in koksgasbeheizten
öfen, bei denen es möglich war, mit weniger als io°/o Schutzgas Bleche mit einwandfreier
Oberfläche also ohne praktisch merkbare Verzunderung zu glühen, während es andererseits
bei Einsatzhärteöfen und Topfglühereien nicht möglich war, eine mit der Einführung
von Koksofengas zu spürende stärkere Verzunderung der Glühkisten und Glühtöpfe durch
Gasüberschuß nach dem bekannten Verfahren zu -,.erhindern.
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Die Verwendung von 5 bis io°/o Schutzgas bleibt durchaus im Rahmen
des sonst üblichen Gasüberschusses, also wirtschaftlich tragbar. Da der als Heizgas
dienende Brennstoff restlos verbrannt und die Schutzgasmenge genau meß- und regelbar
bleibt, sind sogar geringere Brennstoffverbrauchszahlen zu erwarten und in praktischen
Versuchen erreicht worden.