DE69111173T2 - Wirbelbettofen mit interner Gasverbrennung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wirbelbettofen für interne Gasverbrennung. Bekanntermaßen umfaßt ein Wirbelbettofen einen Behälter, welcher bis zu einer bestimmten Höhe mit Granulat gefüllt ist, das das Wirbelbett bildet. Das Granulat verhält sich inert gegenüber hohen Temperaturen von 1500ºC und mehr. Am Boden des Granulatbetts befindet sich ein Einlaß, welcher dazu ausgeführt ist, ein Traggas mit einem über die Bodenfläche des Betts so gleichmäßig als möglich verteilten Eingangsfluß nach oben in das Bett zu blasen. Zwischen einer minimalen und einer maximalen Blasgeschwindigkeit kommt es zu einem Auf- und Abwirbeln des Granulats, und das Bett schwillt an, so daß es sich wie ein Fluid verhält, in das ein Körper leicht eingetaucht werden kann oder das leicht von einem Körper, wie beispielsweise von Metalldrähten oder einem Drahtgitter, kontinuierlich durchquert werden kann. Bei derartigen Körpern hat dieses Fluid dann einen hohen Wärmetauschkoeffizienten, der bereits dem Koeffizienten für Flüssigkeiten, wie in Blei- oder Salzbädern, nahekommt; dank der großen Beweglichkeit des Granulats wird die Wärme sehr schnell über das Bett verteilt. Ein Wirbelbett ist folglich sehr zur Wärmebehandlung solcher Körper geeignet. Typische Granulatmaterialien sind Quarz-, Tonerde- oder Zirkonerdesand, Siliziumcarbid oder Ferrosilizium, und typische Granulatabmessungen liegen im Bereich zwischen 0,03 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm. Die Blasgeschwindigkeit in das Bett hängt von der gewählten Granulatart ab; typische Geschwindigkeiten liegen im Bereich zwischen 0,06 und 0,15 m/s. Bei einer zu niedrigen Blasgeschwindigkeit bricht das Wirbelbett zusammen; man erhält lediglich Gasblasen, die vom Bett aufsteigen. Bei einer zu hohen Blasgeschwindigkeit wird das Granulat aus dem Bett herausgeblasen, so daß in beiden Fällen keine Fluidisierung bzw. Verwirbelung vorliegt.
• Aufgrund dieses Verhaltens als Fluid wird ein Wirbelbett oftmals zur Erwärmung von Körpern in dem Wirbelbett verwendet, in Fällen, bei denen die Wärmezufuhr über die Oberfläche des zu erwärmenden Körpers so gleichmäßig als möglich verteilt sein soll. Die Wärmequelle kann außerhalb des Behälters liegen. In diesem Fall muß die Wärme - durch Übertragung -zunächst durch die Behälterwand hindurchgelangen, bevor sie dem Bett zugeführt werden kann (externes Heizen). Die Wärmequelle kann aber auch innerhalb des Behälters liegen, in welchem Fall die Wärme dem herumwirbelnden Granulat unmittelbar zugeführt wird (internes Heizen). Im letzteren Fall kann die Wärmequelle ein elektrischer Widerstand sein; sie kann jedoch auch eine Gasflamme sein, wenn ein Brenngas zusammen mit Sauerstoff in das Bett geblasen wird und in dem Bett verbrennt. Es ist ebenfalls möglich, außerhalb des Behälters ein Gas zu verbrennen und die Rauch- bzw. Abgase hiervon als Traggas in das Bett zu blasen. Der Nachteil dieser letzteren Möglichkeit, verglichen mit der Verbrennung innerhalb des Wirbelbetts selbst, ist, daß ein separater, feuerfester Verbrennungsraum mit feuerfesten Verbindungsleitungen zum Wirbelbett vorgesehen werden muß. Bei Verwendung einer Gasflamme innerhalb des Wirbelbetts selbst wird die Wärme sehr schnell und gleichmäßig über das Granulat des Betts verteilt. Was nachfolgend Wirbelbett mit interner Gasverbrennung genannt wird, ist ein solches Wirbelbett mit interner Gasflamme.
• Eine Anwendung für einen solchen Wirbelbettofen liegt auf dem Gebiet der Wärmebehandlung metallischer Produkte, insbesondere dort, wo eine Wirbelbettemperatur nötig ist, die über der Selbstzündungstemperatur herkömmlichen Brenngases liegt (d.h. über etwa 750ºC), so daß zufällig ausgelöschte Flammenteile sofort wieder zur Entzündung gelangen, wodurch eine stabile Flamme erhalten werden kann.
• Ein Wirbelbettofen mit interner Gasverbrennung umfaßt eine Gaszufuhranordnung, welche die notwendigen Mittel umfaßt, um einen gegebenen Fluß eines Traggases, mit einer gegebenen Zusammensetzung, zum Einlaß für das Traggas am Boden des Wirbelbetts zu schicken. Der Auslaß dieser Gaszufuhranordnung ist folglich mit dem Einlaß für das Traggas verbunden. Für das Traggas wird im allgemeinen eine Mischung aus dem Brenngas, das verbrannt werden soll, und einer unzureichenden Menge Primärluft verwendet, d.h. einer Menge unterhalb des zur Zündung notwendigen Anteils. In einer bestimmten Höhe über dem Boden des Wirbelbettbehälters wird eine zusätzliche Menge Sekundärluft eingeblasen, so daß die Flamme in derjenigen Höhe einsetzt, bei der die Mischung das zur Zündung notwendige Verhältnis erreicht. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Flamme bei einer geringen Flußrate des Traggases in die Gaszufuhranordnung eindringt. Diese Gaszufuhranordnung zur Aufbreitung der Gasmischung umfaßt folglich einen ersten Einlaß, der mit einer Brenngasquelle, z.B. einem unter Druck stehendes Gas führenden Rohr, oder einer Kammer, in der das Brenngas erzeugt wird, verbunden sein muß. Die Zufuhranordnung umfaßt außerdem einen zweiten Einlaß, der mit einer Luftquelle verbunden sein muß, z.B. einer Luftleitung, in der die Luft mittels eines Gebläses zur Gaszufuhranordnung hin geblasen wird. Die Temperatur im Wirbelbett wird anhand eines Temperatursensors reguliert und eine Korrektur mittels einer Steuereinrichtung vorgenommen, welche in Abhängigkeit von der Abweichung der gemessenen Temperatur von der gewünschten Referenztemperatur bewirkt, daß mehr oder weniger Brenngas zugeführt wird.
• Mit allgemeinen Worten betrifft die Erfindung folglich einen Wirbelbettofen für interne Gasverbrennung mit einem Wirbelbettbehälter, dessen Einlaß für das Traggas mit einer Gaszufuhranordnung verbunden ist, welche einen ersten und einen zweiten Einlaß für Brenngas bzw. Luft umfaßt, und mit einem Sensor für die Temperatur im Wirbelbett, wobei dieser Sensor mit dem Eingang einer Steuereinrichtung verbunden ist.
• Bei solchen Wirbelbettöfen besteht eine Schwierigkeit darin, die Wirbelbett-Betriebsparameter, welche eine dauerhaft gleiche Behandlung und folglich dauerhaft gleiche Eigenschaften der behandelten Produkte gewährleisten sollen, auf einem konstanten Niveau zu halten. Dies ist besonders bei solchen Anwendungen wichtig, bei denen der Ofen in einer Fließfertigungsstraße angeordnet ist und das Produkt fließend bzw. kontinuierlich durch den Ofen geführt wird, wie z.B. im Fall von Stahldraht.
• Ein erster wichtiger Betriebsparameter ist die Temperatur T im Wirbelbett. Diese Temperatur muß reguliert werden, um auf einem gewünschten Referenzwert gehalten zu werden. Andernfalls, und ohne jede Steuerung, kann die Temperatur zu weit von der gewünschten Temperatur abweichen, beispielsweise wenn die Fertigungsstraße schneller oder langsamer wird, oder wenn eine Umstellung auf ein anderes Produkt erfolgt, so daß die Wärme, welche von dem Produkt aufgenommen werden soll, eine beträchtliche Änderung erfährt, oder wenn eine Umstellung auf ein anderes Brenngas mit höherer oder geringerer Verbrennungswärme erfolgt oder wenn ein Brenngas mit stark schwankender Verbrennungswärme erhalten wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, daß die Steuereinrichtung in der Lage ist, die Brenngaszufuhr in sehr weiten Grenzen, und sogar gen Null, variieren kann, um auf die Temperaturänderungen sehr stark reagieren zu können.
• Ein zweiter wichtiger Betriebsparameter ist der Grad der Oxidation/Reduktion der Verbrennungsgasatmosphäre oberhalb der Flamme. Manchmal wird eine geringe Oxidation an der Oberfläche des Stahldrahts gewünscht, in diesem Fall aber immer im selben Maß, oder eine geringe Reduktion (z.B. Kohlenstoffentziehung des Stahls), dann jedoch ebenfalls immer im selben Maß. In den meisten Fällen wird eine neutrale Atmosphäre gewünscht, bei der die Verbrennungsgasatmosphäre das Ergebnis einer vollständigen Verbrennung ohne Sauerstoffüberschuß ist und als solche aufrechterhalten werden soll.
• Ein dritter wichtiger Betriebsparameter ist der Fluidisierungszustand des Wirbelbetts. Es genügt nicht, daß die Aufwärtsgeschwindigkeit des eingeblasenen Traggases die Fluidisierungsgrenze nicht unterschreitet. Es ist zusätzlich notwendig, daß das Muster des Gasstroms in dem Wirbelbett stabil ist, so daß ein gleichbleibendes Flammenmuster beibehalten werden kann. Ebenfalls muß soweit als möglich vermieden werden, daß die Flamme in Abhängigkeit vom Brenngasgehalt im Traggas oder von der Einlaßgeschwindigkeit des letzteren auf- -und niedergeht. Und es muß insbesondere vermieden werden, daß die Flamme zum Boden des Wirbelbettbehälters herunterkommt, der dann durch die Wärme beschädigt werden würde, und weiter stromaufwärts in die Zufuhranordnung eindringt.
• Um diesen Bedingungen für die drei Parameter zu genügen, ist es bekannt, die vorstehend beschriebene Ofenanordnung über die Flußraten Q des Brenngases, der Primär- und der Sekundärluft zu steuern. Wenn beispielsweise die Temperatur steigt, bewirkt ein Steuersystem, daß weniger Brenngas zur Zufuhranordnung für das Traggas geschickt wird. Da die Geschwindigkeit des eingeblasenen Traggases konstant bleiben soll, gleicht das Steuersystem die Verringerung der Volumenflußrate des Brenngases aus, indem die Volumenflußrate der Primärluft um eine gleiche Menge erhöht wird. Da jedoch der Oxidations/Reduktionsgrad des Abgases konstant bleiben soll, muß die Sekundärluftflußrate durch das Steuersystem stark verringert werden, um die Gesamtmenge der Primär- und Sekundärluft im gleichen Verhältnis zur reduzierten Brenngasmenge zu halten. Das Umgekehrte geschieht, wenn die Temperatur fällt.
• Mit diesem Steuerverfahren können die drei Wirbelbett-Betriebsparameter nicht gleichzeitig reguliert werden, um jeweils auf einem gewünschten Referenzwert gehalten zu werden. Wenn die Temperatur mittels Steuerung der Brenngasflußrate reguliert wird, muß die Gesamtflußrate der Primär- und Sekundärluft proportional eingestellt werden; ein gleichbleibendes Gasstrommuster kann dann nicht erhalten werden. Außerdem verändert sich bei diesen Verfahren das Verhältnis zwischen der Primärluft und dem Brenngas, so daß die Flamme mit solchen Veränderungen rauf und runter geht und in die Zufuhranordnung eindringen kann, wenn das Verhältnis unter die Zündgrenze kommt. Als Konsequenz läßt dieses Verfahren keine sehr weiten Grenzen zu, zwischen denen die Brenngasflußrate gesteuert werden kann. Es ist immer eine minimale Flußrate des Brenngases nötig, um zusammen mit der Primärluft die notwendige konstante Traggasflußrate zu liefern. Und bei jeder Rate muß das Traggas mit ausreichender Geschwindikgeit und in ausreichender Konzentration des Brenngases eingeblasen werden, um nicht entflammbar zu sein und nicht stromaufwärts in die Gaszufuhranordnung einzudringen. Überdies gibt es für das Brenngas eine maximale Flußrate, oberhalb der so viel Sekundärluft zugeführt werden muß, daß dann deren Vermischung mit dem Traggas ungenügend sein würde, dahingehend, daß Probleme einer sich lokal ändernden Oxidation entstünden. Auf diese Weise ist es nicht möglich, gleichzeitig die drei Wirbelbett- Betriebsparameter jeweils auf ein gewünschtes Niveau zu regulieren, ohne auf die Steuerung eines dieser Parameter verzichten zu müssen oder bezüglich zweier oder aller drei Parameter Zugeständnisse zu machen.
• Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen Wirbelbettofen für interne Gasverbrennung mit einem Steuersystem zu schaffen, das es erlaubt, die genannten drei Wirbelbettparameter: Wirbelbettemperatur T, das Verhältnis Luft/Brenngas (L/G) und die Flußrate Qc des Traggases zu regulieren, d.h. sie auf einem konstanten Referenzwert zu halten oder unabhängig dem Verlauf eines sich ändernden Referenzwerts folgen zu lassen.
• Erfindungsgemäß umfaßt die Gaszufuhranordnung zusätzlich zu den beiden Einlässen für Luft und Brenngas einen dritten Einlaß für Abgas, und jeder der drei Einlässe umfaßt eine Zufuhreinrichtung, welche zur Steuerung der entsprechenden Einlaßflußrate ausgebildet ist und einen mit dem Ausgang der Steuereinrichtung verbundenen Steuersignaleingang aufweist, wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist, die Flußrate der drei Einlässe in einer Weise zu steuern, daß die Traggasflußrate, das Verhältnis Luftflußrate zu Brenngasflußrate und die Temperatur des Wirbelbetts jeweils auf einem jeweiligen Referenzwert gehalten werden.
• Bei den obigen Systemen mit Brenngas und Luft, jedoch ohne Abgas, ist es grundsätzlich nicht möglich, drei Variablen (Temperatur, Verhältnis Luft/Brenngas, Flußrate des Traggases) auf einen Referenzwert hin zu regulieren, weil nur zwei unabhängige Steuervariablen zur Verfügung stehen: Brenngasflußrate und Luftflußrate. Eine dritte Steuervariable ist notwendig. Den Luftfluß in zwei steuerbare Flußraten der Primär- und Sekundärluft aufzuteilen, ist eine unzulängliche Lösung, da beide Variablen nicht voneinander unabhängig sind. Wenn aber gemäß einem ersten Schritt in Richtung auf die Erfindung die Abgasflußrate als wirklich unabhängig steuerbare Variable hinzugefügt wird, wird es möglich, ein Steuersystem zu entwerfen, bei dem drei Variablen jeweils auf ihren eigenen unabhängigen Referenzwert reguliert werden können. Als Konsequenz wird in einem zweiten Schritt in Richtung auf die Erfindung die Gelegenheit dieser durch den ersten Schritt eröffneten Möglichkeit genutzt und dem System eine Steuereinrichtung hinzugefügt, in der diese drei Flußraten als unabhängig steuerbare Variablen verwendet werden, um drei andere, hiervon abhängige Variablen zu steuern, nämlich die Temperatur des Betts, das Luft/Brenngas-Verhältnis und die Flußrate des Traggases, durch welche die Betriebsbedingungen des Wirbelbetts bestimmt sind.
• Bei einer solchen Steuereinrichtung sind die drei Einlässe folglich jeweils mit einer Zufuhreinrichtung versehen, deren Flußrate gesteuert werden kann. Im allgemeinen werden dies Zufuhrventile mit steuerbarer Öffnung sein, die einen Steuersignaleingang für den Empfang des Signals zur Öffnungssteuerung aufweisen. Die Steuereinrichtung wird zu berücksichtigen haben, daß die Flußrate nicht nur durch die Öffnung bestimmt ist, sondern auch durch den Druckabfall über das Ventil. Hierfür kann entweder durch die Steuereinrichtung Sorge getragen werden, indem sie die Druckabfälle im Gaszufuhrsystem konstant hält (so daß ein einer gewünschten Öffnung entsprechendes Steuersignal eindeutig einer gewünschten Flußrate entspricht), oder durch die Tatsache, daß jedes Ventil durch sein eigenes Flußratensteuersystem vorgesehen ist, das die Ist-Flußrate an ein für die gewünschte Flußrate repräsentatives Steuersignal anpaßt, oder abhängig von der Auslegung der Steuereinrichtung durch eine Kombination beider Methoden. Folglich hängt von der Auslegung der Steuereinrichtung auch ab, ob das vom Ausgang der Steuereinrichtung zum Eingang der Zufuhranordnung übertragene Steuersignal entweder die gewünschte Öffnung oder die gewünschte Flußrate oder eine Kombination von beidem darstellt.
• Von der Auslegung der Steuereinrichtung wird ähnlich auch die Art und Weise abhängen, in der die Flußrate Qc des Traggases auf einen Referenzwert reguliert wird, ebenso der Weg zur Messung des zu regulierenden Ist-Werts, wie auch der Weg zur Nachstellung dieses Werts. Wenn die Gesamtflußrate von dem Referenzwert abweicht, so kann dies von der Einrichtung entweder über eine Addition der drei gemessenen Flußraten oder durch eine Messung des Gesamtflusses bemerkt werden. Die letztere Messung kann vorgenommen werden, indem entweder der Druckabfall über eine Verengung der Strömungsleitung gemessen wird oder der Überdruck des Gases über Atmosphäre an dessen Übergang von der Zufuhranordnung zum Einlaß für das Traggas im Wirbelbett gemessen wird, da dieser Überdruck eine Funktion der Traggasflußrate ist. Wenn ferner die Flußrate von dem gewünschten Referenzwert abweicht, kann die Korrektur entweder an der Flußrate einer der Komponenten oder an zweien hiervon oder an allen dreien im gewünschten Verhältnis vorgenommen werden.
• Ähnlich kann abhängig von der Auslegung der Steuereinrichtung das Verhältnis Luftflußrate zu Brenngasflußrate (L/G) in verschiedener Weise reguliert werden. Beispielsweise kann die Einrichtung das Ist-Verhältnis messen (z.B. durch Division der zwei gemessenen Einlaßflußraten) und dieses mit einem Referenzwert vergleichen, um ein Signal zur Nachstellung zu erzeugen. Die Einrichtung kann aber beispielsweise auch eine gemessene Einlaßflußrate mit dem Referenzverhältnis multiplizieren und das Resultat als Referenzwert zur Steuerung der anderen Einlaßflußrate verwenden.
• Die Referenzwerte für die drei Größen (Temperatur, Flußrate des Traggases und Luft/Brenngas-Verhältnis) sind Soll-Werte, auf die hin die Ist-Werte durch die Steuereinrichtung reguliert werden. Jeder Referenzwert kann ein durch die internen Parameter der Einrichtung bestimmter Konstantwert sein, wird jedoch vorzugsweise ein extern einstellbarer Wert sein, der bei der Umstellung von einem Produkt oder einer Produktionsweise auf eine andere eingestellt wird. Er kann jedoch auch ein steuerbarer Wert sein, der durch ein Eingangssignal gesteuert wird, welches zu der Steuereinrichtung von einer anderen Steuereinrichtung übertragen wird, die den Referenzwert in Abhängigkeit beispielsweise von fortlaufenden Messungen der Ausgangseigenschaften des Produkts kontinuierlich einstellt. Die Regulierung auf den Referenzwert hin kann, wie in der Steuerungs- bzw. Regelungstechnik bekannt, entweder nach dem Proportional- oder dem Proportional-Integral- oder dem Proportional-Integral-Differential-Prinzip erfolgen.
• Die Steuereinrichtung kann entweder in analoger oder in digitaler Weise verwirklicht sein, beispielsweise durch einen Computer, in dem die Funktionen nicht von separaten Komponenten ausgeführt werden, sondern von Programmen. Die Messungen, Signale und Korrekturen können kontinuierlich oder intermittierend sein.
• Es sind eine Vielzahl mathematischer Steuerungskonzepte und viele Wege zu deren Ausführung möglich. Wichtig ist hierbei jedoch, daß sie die Temperatur, die Flußrate des Traggases und das Luft/Brenngas-Verhältnis mittels der Steuerung dreier Flußraten, nämlich des Brenngases, der Luft und des Abgases, auf einen jeweiligen Referenzwert hin regulieren.
• Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern eines Wirbelbettofens mit interner Gasverbrennung, bei dem ein Traggas in das Wirbelbett geblasen wird und als eine erste und eine zweite Komponente eine Brenngas- bzw. Luftmenge aufweist und bei dem die Temperatur des Wirbelbetts auf einen Referenzwert reguliert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist hier durch die Tatsache gekennzeichnet, daß das Traggas als eine dritte Komponente eine Abgasmenge umfaßt und daß das Traggas von drei jeweiligen Quellen der drei Komponenten zugeführt wird, deren Flußrate jeweils so gesteuert wird, daß gleichzeitig mit der Temperatur auch das Tragflußverhältnis und das Verhältnis der Luftflußrate zur Brenngasflußrate auf einen jeweiligen Referenzwert reguliert wird.
• Vorzugsweise werden die Verbrennungsgase des Wirbelbetts selbst als eine Quelle für die dritte Komponente verwendet.
• Das eingeblasene Abgas muß nicht notwendigerweise neutral sein, was seinen Oxidations-/Reduktionsgrad anbelangt, d.h. das Produkt einer vollständigen Verbrennung ohne Sauerstoffüberschuß sein. Als Funktion des gewünschten Oxidations-/Reduktionsgrads der durch die Verbrennung im Wirbelbett geschaffenen Atmosphäre und des Sauerstoff- und CO-Gehalts des Abgases kann der Referenzwert für das Luft/Brenngas-Verhältnis angepaßt und fortlaufend reguliert werden, so daß nach der Verbrennung der gewünschte Oxidations-/Reduktionsgrad erhalten wird.
• Die Regulierung ist jedoch sehr einfach, wenn die Verbrennungsatmosphäre des Wirbelbetts neutral sein soll und außerdem das Abgas von oberhalb selbigen Wirbelbetts stammt. In diesem Fall wird der Referenzwert für das Luft/Brenngas-Verhältnis auf das stöchiometrische Verhältnis Luft/Brenngas festgesetzt und muß nicht in Abhängigkeit des Oxidations-/Reduktionsgrads des Abgases weiter angepaßt werden. Dieser Referenzwert wird jedoch möglicherweise in Abhäniggkeit vom verwendeten Brenngas festgesetzt werden müssen und bei Schwankungen der Zusammensetzung des Brenngases neu angepaßt werden müssen.
• Die Erfindung wird nun anhand zweier beispielhafter Figuren näher erläutert, von denen:
• Figur 1 eine schematische Ansicht einer das Prinzip der Erfindung zeigenden Ausführungsform ist,
• Figur 2 eine besonders einfache Ausführungsform der Steuereinrichtung ist.
• Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wirbelbettofen, der zur kontinuierlichen Austenitisierung von Stahldrähten im patentierenden Wärmebehandlungsverfahren ausgebildet ist, obwohl die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt ist. Beim Patentierungsverfahren werden die Stahldrähte zuerst auf eine Temperatur im Bereich von etwa 900 bis etwa 1050ºC erwärmt und unmittelbar danach auf eine Temperatur im Bereich um etwa 550ºC abgeschreckt, z.B. in einem Abschreckbad oder in einem Wirbelbett. Dies ist im allgemeinen ein fließender bzw. kontinuierlicher Vorgang, bei dem die zu behandelnden Drähte Seite an Seite und parallel zueinander in axialer Drahtrichtung kontinuierlich durch den Wärmeofen und die Abschreckeinrichtung hindurchgeführt werden. Bei diesem Beispiel ist die Erfindung auf einen als Wirbelbettofen ausgeführten Wärmeofen angewendet, welcher folglich mit den notwendigen Zugangsöffnungen und Drahtführungsmitteln (nicht gezeigt) versehen ist, um den Draht 33 in das und aus dem Wirbelbett zu führen. Eine typische Betthöhe liegt dann im Bereich um 40 bis 60 Zentimeter.
• Der Ofen umfaßt einen Behälter 1, der aus feuerfestem Material gefertigt ist. Am Boden des Behälters befindet sich eine Verteilkammer 2, welche sich über die gesamte Bodenfläche des Behälters erstreckt. Die Verteilkammer weist eine horizontale obere Wandung auf. Diese Wandung ist von einer Vielzahl kleiner vertikaler Gasröhren 3 durchsetzt, welche oberhalb der Wandung etwa 6 cm vorstehen. Sie dienen dazu, das Traggas vertikal nach oben zu blasen. Sie sind über die Oberseite der Verteilkammer gleichmäßig verteilt, so daß der Traggasstrom annähernd gleichmäßig über den horizontalen Querschnitt des Behälters verteilt ist. Diese Röhren sind so ausgeführt, wie im europäischen Patent Nr. 181 653 erläutert.
• Die Funktion der Verteilkammer ist, Sorge dafür zu tragen, daß das Traggas über die gesamte Unterseite des Wirbelbetts unter dem gleichen Druck eingeblasen wird; dies wird dadurch erreicht, daß das Traggas aus einem gemeinsamen Raum 2 mit dem gleichen Druck kommt. In den meisten Fällen wird das Traggas nicht, wie in diesem Beispiel, durch Gasröhren eingeblasen, sondern durch einen Keramikboden, der die Verteilkammer von dem darüberliegenden Wirbelbett trennt und der porös ist oder eine Vielzahl über seine Fläche gleichmäßig verteilter Öffnungen aufweist. Indem man jedoch ein Röhrensystem verwendet, dessen Ausgangsöffnungen auf einem gegebenen Niveau über dem Boden des Betts liegen, verbleibt eine Schicht nicht fluidisierten Granulats am Boden, welche den letzteren bei zu starkem Absinken der Flamme vor Überhitzung schützt; gewünschtenfalls kann diese Schicht Kühlröhren umfassen. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, anstelle eines Keramikbodens einen leicht ersetzbaren Stahlblechkasten 2 zu verwenden, da das Traggas in der Verteilkammer noch kalt ist. Obwohl diese Ausführungsart der Verteilkammer und des Röhrensystems zum Einblasen des Traggases in sehr vorteilhafter Weise bei einer erfindungsgemäßen Anlage angewendet werden kann, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Es ist jede Art von Einlaß zum Wirbelbett verwendbar, auch ohne Verteilkammer, bei dem aber das Traggas aufwärts und mit einem Fluß eingeblasen wird, der über den horizontalen Querschnitt des Betts gleichmäßig verteilt ist. Mit einem Röhrensystem kann der Druck für das Einblasen annähernd gleich über die Röhren gemacht werden, indem sie aus Leitungen versorgt werden, welche nicht in Reihe liegen, sondern parallel zueinander angeschlossen sind.
• Oberhalb der Verteilkammer 2 befindet sich im Behälter 1 ein Bett 4 wirbelnden Granulats aus Aluminiumoxid-Sand bzw. Tonerdesand (Al&sub2;O&sub3;) einer Größe von etwa 250 um. Angesichts eines Traggasstroms mit einer Aufwärtsgeschwindigkeit von etwa 13 m/s wird das Bett im fluidisierten Zustand gehalten.
• Zusätzlich zur Verteilkammer 2 umfaßt die Zufuhranordnung für das Traggas auch eine Mischkammer 5 mit drei Eingängen 6, 7 und 8 für Luft, Brenngas bzw. Abgas. Jedem dieser Eingänge ist ein Zufuhrventil 9, 10 bzw. 11 zugeordnet, wobei die Einlaßflußrate jedes Ventils in Antwort auf ein Steuersignal steuerbar ist, welches bei einem Steuersignaleingang 12, 13 bzw. 14 eingegeben wird. Dieses Signal kann ein pneumatisches, mechanisches oder elektrisches Signal sein und entweder analog oder digital codiert sein. Der Steuersignaleingang wird folglich an die Art des von ihm zu empfangenden Signals angepaßt sein.
• Das Zufuhrventil für die Luft ist an seinem Einlaß 22 an eine Luftquelle 15 angeschlossen, die sich auf ausreichendem Überdruck bezüglich der Mischkammer 5 befindet, z.B. 1500 mm über Atmosphärendruck, so daß die Luft mit der gewünschten Flußrate zu dieser Mischkammer geblasen werden kann. Dieser Druck wird dadurch erhalten, daß die Luft durch ein Gebläse 15, welchem möglicherweise ein Filter vorgeschaltet ist, gesaugt wird. Das gleiche gilt für die Abgaszufuhr zum Einlaß 24 des Zufuhrventils 11 über ein Gebläse 17. Dieses Gebläse ist mit einem Auslaß 18 für die Verbrennungsgase des Wirbelbetts selbst verbunden, und zwar über einen Zyklon 19, einen Wärmetauscher 20 zur Abkühlung der Verbrennungsgase auf eine Temperatur, die für die Konstruktion der Gaszufuhranordnung nicht mehr schädlich ist (z.B. 200ºC bis 250ºC), und ein Filter 21, das zusammen mit dem Zyklon 19 den mit den Verbrennungsgasen mitgerissenen Sand von diesen Gasen trennt. Das Zufuhrventil für das Brenngas ist an seinem Einlaß 23 mit einer unter ausreichendem Druck stehendes Brenngas bereitstellenden Quelle (nicht gezeigt) verbunden, z.B. einem Propangas oder Erdgas liefernden Gasrohr 16.
• Die Steuersignaleingänge 12, 13 und 14 für die Zufuhrventile sind mit dem Ausgang 26 einer Steuereinrichtung 25 verbunden. Da die Steuersignale ebenso mechanischer, wie pneumatischer oder elektrischer, analog oder digital codierter Natur sein können, muß der Ausgang an die Natur des von ihm auszusendenden Signals angepaßt sein.
• Bei dieser die Prinzipien der Erfindung zeigenden schematischen Ausführungsform wird das Mischen der drei Gase in einer einzelnen Mischkammer 5 durchgeführt. Es ist aber ebenfalls möglich, zunächst zwei Gase, z.B. Brenngas mit Luft, an einer ersten Zusammenflußstelle zu mischen, welche nicht notwendigerweise eine Kammer sein muß, und dann an einer zweiten Zusammenflußstelle das dritte Gas mit der Mischung der ersten zwei Gase zusammenzumischen. Es muß berücksichtigt werden, daß an einer solchen Zusammenflußstelle zweier oder dreier Gase die Flußrate jedes Gases nicht nur durch die Öffnung der Zufuhrventile bestimmt ist, sondern auch durch den Druckabfall zwischen dem Einlaß jedes Ventils und der Mischkammer. Die Steuerung jeder der Flußraten wird folglich diesen Druckabfall zu berücksichtigen haben. Aus diesem Grund werden bei der Ausführungsform nach Figur 1 der Einlaßdruck jedes Gases an den Einlaßorten 22, 23 und 24 und auch der Druck in der Mischkammer 5 gemessen und die Meßsignale zu einem Eingang 27 der Steuereinrichtung übertragen. Die Natur dieser Signale kann ebenso mechanisch, wie pneumatisch oder elektrisch sein. Bei dieser Steuereinrichtung wird alles von einer zentralen Steuereinrichtung 25 berechnet und gesteuert, welche diese Drucksignale zusammen mit den anderen Eingangssignalen verarbeitet, um so Ausgangssignale hervorzurufen, die dann zu den Steuersignaleingängen der Zufuhrventile übertragen werden. Wie aber ein weiteres Beispiel deutlich machen wird, ist es klar, daß eine mehr dezentralisierte Zufuhreinrichtung entworfen werden kann, bei der diese Druckabfälle in anderer Weise berücksichtigt werden.
• Die Steuereinrichtung umfaßt ferner einen Sensor 31 für die Flußrate Qc des zur Wirbelbettkammer geschickten Traggases; der Ausgang dieses Sensors ist mit einem Eingang 28 der Steuereinrichtung verbunden. Dieser Sensor kann z.B. ein Messer der Druckdifferenz zwischen beiden Seiten einer Membran sein, wobei diese Spannungsdifferenz ein Maß für die volumetrische Flußrate ist. Da die Druckverluste des Gasstroms zwischen dem Ort des Sensors 31 und dem Ausgang aus dem Wirbelbett in die Atmosphäre konstant sind, wenn ein gleichbleibendes Strommuster beibehalten wird, kann auch der Überdruck über Atmosphäre ein Maß für diese volumetrische Flußrate sein und folglich auch ein diesen Überdruck erfassender Sensor verwendet werden. In diesem Fall wird die Steuereinrichtung diesen Überdruck auf einem konstanten Wert halten, z.B. auf 800 mm.
• Die Steuereinrichtung umfaßt ferner einen weiteren Sensor 32 für die Temperatur T im Wirbelbett, dessen Ausgang mit einem Eingang 29 der Steuereinrichtung verbunden ist. Ein solcher Sensor kann beispielsweise ein Thermoelement sein. Der Eingang der Steuereinrichtung ist ferner mit einem Einstellknopf 30 versehen, an dem das gewünschte Verhältnis der Luft zum Brenngas (L/G) voreingestellt werden kann. In diesem Fall ist das gewünschte Verhältnis durch die Stellung des Knopfs bestimmt. Dieses gewünschte Verhältnis kann aber auch als über einen Signaleingang hereinkommendes Signal zugeführt werden, wenn sich dieses Verhältnis ohne menschlichen Eingriff häufig ändern soll. Wenn das System nur mit einem festen Wert arbeitet, z.B. dem stöchiometrischen Verhältnis, kann ein solcher Voreinstellungsknopf weggelassen werden; das gewünschte Verhältnis kann dann durch die internen Parameter der Steuerschaltung festgelegt sein.
• Das Wirbelbett wird orthogonal zur Zeichenebene von Stahldrähten 33 durchsetzt, welche sich in ihrer Längsrichtung kontinuierlich durch das Bett hindurchbewegen.
• Die Steuereinrichtung 25 ist in diesem Beispiel als Black-Box dargestellt, weil sie in verschiedener Weise ausgeführt sein kann, nämlich pneumatisch, elektrisch, digital oder analog, mit kontinuierlichen oder intermittierenden Signalen, gesteuert von einem Computerprogramm oder nicht. Das wichtige bei dieser Erfindung ist nicht, wie die Regulierung verwirklicht ist, sondern welche die Variablen sind, die reguliert werden, und mittels welcher unabhängig steuerbaren Variablen. Die Funktion der Steuereinrichtung liegt darin, daß die Flußrate Qc (volumetrisch) des Traggases, die Wirbelbettemperatur T und das Verhältnis Luftflußrate zu Brenngasflußrate (L/G) jeweils auf einen jeweiligen Referenzwert reguliert werden, und dieses mittels dreier Steuervariablen, welche die Verringerung der Abweichungen von den Referenzwerten erreichen sollen: die Flußraten des Brenngases, der Luft und des Abgases. Es sind verschiedene Konzepte für die Steuereinrichtung möglich, wobei einige Arten auf Einfachheit abzielen können, andere auf Genauigkeit oder Reaktionsgeschwindigkeit und wieder andere auf Sicherheit. Im allgemeinen fällt eine solche Auslegung unter das normale Handeln des in der Steuerungs- -bzw. Regelungstechnik kundigen Fachmanns, obwohl besonders einfallsreiche Konzepte existieren können.
• So zeigt Figur 2 ein sehr einfaches Konzept für die Steuereinrichtung. In dieser letzteren Figur sind nicht alle in Figur 1 auftretenden Elemente des Wirbelbetts erneut gezeigt; diejenigen Elemente, die auch in Figur 1 auftraten, sind aber durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In diesem System gibt es keine Mischkammer, sondern es fließt das vom Gasrohr 16 und über eine Leitung 37 gelieferte Brenngas zunächst mit der Luft zusammen, wobei die letztere über das Gebläse 15 geliefert wird und über eine Leitung 36 einer ersten Zusammenflußstelle zugeführt wird. Die erhaltene Mischung aus Brenngas mit Luft wird dann zu einer zweiten Zusammenflußstelle geführt, an der die Mischung mit den durch das Gebläse 17 gelieferten und über eine Leitung 38 der zweiten Zusammenflußstelle zugeführten Verbrennungsgasen der Wirbelbettkammer zusammenfließt.
• Die Abgasleitung verläuft vom Gebläse 17 über ein steuerbares Steuerventil 51 zur Leitung 38. Dieses Steuerventil 51 wird von einem den Gasdruck (Überdruck über Atmosphäre) in der von der zweiten Zusammenflußstelle zur Verteilkammer 2 gehenden Zufuhrleitung 40 erfassenden Sensor 61 gesteuert. Das Meßsignal dieses Gasdrucks wird an eine Steuerschaltung 62 geliefert, die ein Korrektursignal gemäß dem Proportional-, Integral- oder Differential-Prinzip oder einer Mischung hiervon erzeugt, wie in der Steuerungstechnik bekannt. Dieses Korrektursignal wird dann als ein Steuersignal zum Steuerventil 51 geleitet; die Wirkungsweise ist derart, daß der Gasdruck (Überdruck) in der Zufuhrleitung 40 auf einem konstanten Wert gehalten wird.
• Die Leitung für das Brenngas verläuft vom Gasrohr 16 über ein Differentialsteuerventil 48 und, in Reihe und stromabwärts hierzu, über ein steuerbares Steuerventil 50 zur Leitung 37. Das Differentialventil 48 dient dazu, die Steuerung der Öffnung des Steuerventils 50 vom Überdruck unabhängig zu machen, mit dem das Brenngas vom Gasrohr 16 geliefert wird. Dieses Differentialventil liegt in Form eines Membranventils vor, bei dem an eine Seite der Membran der in der Zufuhrleitung 40 zur Verteilkammer herrschende Druck gebracht wird und an die andere Seite der unmittelbar vor dem Steuerventil 50 herrschende Druck gebracht wird. Die Wirkungsweise ist derart, daß das Ventil abhängig von der Differenz zwischen beiden Drücken mehr oder weniger geöffnet ist, so daß diese Druckdifferenz auf einem konstanten Wert gehalten wird. Da der Druck in der Zufuhrleitung 40 reguliert wird, um einen konstanten Wert zu halten, ist der Druck unmittelbar vor dem Steuerventil 50 ebenfalls konstant; der nach dem letzteren Ventil herrschende Druck ist dann ein Wert, der ein Maß für die Flußrate ist. Das Steuerventil 50 wird von einem die Wirbelbettemperatur erfassenden Sensor 32 in einer Weise gesteuert, daß es entsprechend einem Über- bzw. Unterschreiten des Referenzwerts durch die Temperatur mehr oder weniger schließt.
• Die Luftleitung vom Gebläse 15 verläuft ähnlich über ein Differentialsteuerventil 47 und, in Reihe und stromabwärts hierzu, über ein steuerbares Steuerventil 49 zur Leitung 36. Das Differentialsteuerventil 47 dient dazu, die Steuerung der Öffnung des Steuerventils 49 vom Druckabfall über dieses Ventil unabhängig zu machen, so daß eine gegebene Öffnung einer gegebenen Flußrate entspricht. Die Wirkungsweise ist analog zur Wirkungsweise des Differentialsteuerventils 48 derart, daß der Druckabfall über das Steuerventil 49 konstant bleibt. Dieses Steuerventil 49 wird von einem den Druck in der Brenngasleitung 37 (dieser ist, wie oben erläutert, ein Maß für die Brenngasflußrate) erfassenden Sensor 46 auf eine Art gesteuert, daß das Steuerventil entsprechend einem stärkeren oder geringeren Druckabfall mehr oder weniger schließt, und in einer Weise, daß das Verhältnis Luft- zu Brenngasflußrate auf einem konstanten Wert gehalten wird.
• Die Wirkungsweise dieser Steuereinrichtung ist wie folgt: Wenn die Temperatur T im Wirbelbett den Referenzwert übersteigt, wird dies durch den Sensor 32 an das Steuerventil 50 gemeldet, das zur Herabsetzung der Verbrennung ein wenig mehr schließt. Dann ist aber das Luft/Brenngas-Verhältnis zu hoch. Durch die Tatsache jedoch, daß das Steuerventil 50 ein wenig mehr schließt, fällt der durch den Sensor 46 gemessene Druck, was das Steuerventil 49 in solchem Maß stärker schließen läßt, daß das Verhältnis Luft zu Brenngas auf den Referenzwert zurückgebracht wird. Da aber die Flußraten der Luft und des Brenngases gefallen sind, ist die Gesamtflußrate Qc des Traggases dann unter den Referenzwert gefallen. Dies wird durch den Sensor 61 in der Zufuhrleitung 40 gefühlt, was das Steuerventil 51 ein wenig mehr öffnen läßt, um mehr Abgase einzulassen, wodurch die Gesamtflußrate auf ihren Referenzwert zurückgebracht wird.
• Wenn das Luft/Brenngas-Verhältnis L/G den Referenzwert übersteigen würde, z.B. aufgrund eines erhöhten vom Gebläse 15 gelieferten Drucks oder eines verringerten Drucks im Brenngasrohr 16, werden diese Änderungen der Drücke unmittelbar durch die Differentialsteuerventile 47 und 48 wahrgenommen und korrigiert und das Verhältnis durch das Steuerventil 49 auf den Referenzwert zurückgebracht.
• Abwandlungen dieser Steuereinrichtung sind möglich. Die Regulierung der Brenngaszufuhr kann beispielsweise mit der Regulierung der Luftzufuhr vertauscht werden, wobei dann stromaufwärts der Differentialsteuerventile 47 und 48 nicht die Luft- bzw. Brenngaszufuhr liegt, sondern umgekehrt die Brenngas- bzw. Luftzufuhr.
• Es zeigt sich, daß es mit einem erfindungsgemäßen System oberhalb der Selbstzündungstemperatur von etwa 750ºC möglich ist, auf überraschend geringe Brenngasflußraten zu gehen, sogar auf Null. Wenn das Traggas wirklich sehr arm an Brenngas und Luft ist und sehr reich an Abgasen, wird es trotzdem mit der sehr kleinen vorhandenen Luftmenge zum Brennen kommen, auch nachdem die Flamme entweder lokal oder insgesamt ausgelöscht wurde, weil das heiße Granulat eine schnelle Selbstzündung einleitet. Außerdem kann wegen der konstanten Traggasflußrate die Geschwindigkeit an den Blasöffnungen so ausgelegt werden, daß die Flamme nicht in die Gaszufuhranordnung eindringen kann. Auf diese Weise ist es nicht mehr notwendig, das Traggas mit einer Luftmenge oberhalb des Zündverhältnisses einzublasen; es sind hier aber alle Freiheiten gewahrt.

Claims (10)

1. Wirbelbettofen für interne Gasverbrennung mit einem Wirbelbettbehälter (1), dessen Einlaß für das Traggas mit einer Gaszufuhranordnung verbunden ist, welche einen ersten (23) und einen zweiten (22) Einlaß für Brenngas bzw. Luft umfaßt, und mit einem Sensor (32) für die Temperatur T im Wirbelbett, wobei der Sensor mit dem Eingang (29) einer Steuereinrichtung (25) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhranordnung ferner einen dritten (24) Einlaß für Abgas umfaßt und daß jeder der drei Einlässe (22-23-24) eine Zufuhreinrichtung (9-10-11) umfaßt, welche zur Steuerung der entsprechenden Einlaßflußrate ausgebildet ist und einen mit dem Ausgang (26) der Steuereinrichtung verbundenen Steuersignaleingang (12- 13-14) aufweist, wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist, die Flußrate der drei Einlässe in einer Weise zu steuern, daß die Traggasflußrate Qc, das Verhältnis des Luftflusses zum Brenngasfluß (L/G) und die Temperatur T des Wirbelbetts auf einem jeweiligen Referenzwert gehalten werden.

2. Wirbelbettofen nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Einlaß (24) mit dem Verbrennungsgasauslaß (18) des Wirbelbetts selbst verbunden ist.

3. Wirbelbettofen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Referenzwerte voreingestellt oder gesteuert werden kann.

4. Wirbelbettofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Drahtzugangs- und -führungsmitteln versehen ist, um eine Anzahl von Metalldrähten Seite an Seite und parallel zueinander kontinuierlich durch das Wirbelbett hindurchzuführen.

5. Wirbelbettofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mit einem ersten Einrichtungsteil (48-50) versehen ist, welcher ausgelegt ist, die Flußrate der Zufuhreinrichtung für das Brenngas, oder der Luft, in einem Sinn zu steuern, daß die Abweichung der gemessenen Temperatur von ihrem entsprechenden Referenzwert verringert wird, und ferner mit einem zweiten Einrichtungsteil (47-49) versehen ist, welcher einen Sensor (46) für die Flußrate der Zufuhreinrichtung aufweist und ausgelegt ist, die Flußrate der Zufuhreinrichtung der Luft, bzw. des Brenngases, in einem Sinn zu steuern, daß das Verhältnis Luftflußrate zu Brenngasflußrate auf seinem entsprechenden Referenzwert gehalten wird, und ferner mit einem dritten Einrichtungsteil (51) versehen ist, welcher einen Sensor (61) für die Traggasflußrate aufweist und ausgelegt ist, die Flußrate der Zufuhreinrichtung des Abgases in einem Sinn zu steuern, daß die Abweichung der gemessenen Traggasflußrate von ihrem entsprechenden Referenzwert verringert wird.

6. Verfahren zum Steuern eines Wirbelbettofens für interne Gasverbrennung, bei dem ein Traggas in das Wirbelbett geblasen wird und als eine erste und eine zweite Komponente eine Brenngas- bzw. Luftmenge aufweist und bei dem die Temperatur T des Wirbelbetts auf einen Referenzwert reguliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Traggas als eine dritte Komponente eine Abgasmenge umfaßt und daß das Traggas von drei jeweiligen Quellen der drei Komponenten zugeführt wird, deren Flußrate jeweils so gesteuert wird, daß gleichzeitig mit der Temperatur T jeweils auch die Traggasflußrate Qc und das Verhältnis der Luftflußrate zur Brenngasflußrate (L/G) auf einen jeweiligen Referenzwert reguliert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsgase des Wirbelbetts selbst als eine Quelle für die dritte Komponente verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzwert für das Verhältnis Luftflußrate zu Brenngasflußrate das stöchiometrische Verhältnis genommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzwert für die Wirbelbettemperatur eine Temperatur oberhalb 750ºC gewählt wird.

10. Verfahren zum kontinuierlichen Austenitisieren einer Reihe von Stahldrähten, welche Seite an Seite kontinuierlich durch einen Wirbelbettofen hindurchgeführt werden dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelbettofen den Ansprüchen 7 und 8 entsprechend gesteuert wird, wobei für den Referenzwert für die Wirbelbettemperatur eine Temperatur zwischen 900ºC und 1050ºC gewählt wird.