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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft einen Ofen, der als primäre Wärmequelle in einer Anlage zum
Vorwärmen
von Prozessströmen
verwendbar ist und hauptsächlich
Gebrauchsdampfüberhitzung
bereitstellt, und betrifft insbesondere einen Vielzell-Vertikalrohr-Ofen,
der in jeder Strahlungszelle unterschiedlich betrieben wird und
der eine einzelne Konvektionszone mit einer optionalen Ergänzungsfeuerung hat,
die oberhalb der Strahlungszellen angeordnet ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Strahlungsbrennkammerkonfigurationen
in Öfen
des Standes der Technik bewirkten eine ungleichmäßige Erwärmung der Rohre, was zu einem Anstieg
der für
das Strahlungsheizen benötigten Oberfläche führte. Ebenso
hatten einige Anordnungen in Ofendesigns des Standes der Technik
ein schwieriges Ersetzen der Strahlungsrohre zur Folge. Weiterhin
benötigten Öfen des
Standes der Technik mit Vielfachbetrieb komplexe Steuerungen oder
Abschaltsysteme, um die Ofenkomponenten während aller Betriebsbedingungen
zu schützen.
Desweiteren führen
Brenneranordnungen in Öfen
des Standes der Technik zu komplizierten Konfigurationen der Verbrennungsluftleitungen,
welche den Zugang für
den Betrieb und für
die Wartung beschränken.
Es wäre wünschenswert,
in der Lage zu sein, ein Ofendesign mit Vielzellkonfigurationen
bereitzustellen, um getrennte Betriebe in jeder Zelle zu ermöglichen,
was wiederum eine erhöhte
Flexibilität
bei der Feuerung erlaubt, was es erleichtert, den Ofen innerhalb
seiner Designbeschränkungen
während
des Anheizens, des Abschaltens und während Notfallsituationen zu halten.
Die Verwendung von vielfachen Befeuerungsorten würde eine erhöhte Flexibilität beim Aufrechterhalten
der Prozess- und Gebrauchstemperaturen ermöglichen, während sie eine bessere Brennstoffverwertung
und -effizienz ermöglicht.
Es wäre
ebenso wünschenswert,
eine minimale Anzahl von Verbrennungsluftleitungen zu verwenden,
um das Design des Verbrennungsluftsteuerungssystems zu vereinfachen.
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US-Patent
5,500,034 von Martin offenbart einen Prozessofen, der vertikale
U-förmige
torartige Schlangen mit vielfachen Seitenbrennern verwendet. Jedes
U-förmige
vertikale Rohr hat einen einzelnen Umlauf in der Strahlungsheizungszone
zwischen Ansaug- und Auslassrohren.
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US-Patent
3,768,980 von Andersen offenbart einen Ofen mit katalysatorgefüllten vertikalen Rohren,
die in doppelten Strahlungszellen mit vielfachen Seitenwandbrennern
auf jeder Seite der Rohre angeordnet sind. Ein Ansaugrohr verteilt
Prozessflüssigkeit
zu den Kopfenden der Rohre von oberhalb des Kammerdaches durch Einlasszuführer, und
gerade Rohre verbinden die beiden Basen mit einem unteren Auslassrohr.
In dieser einfach umlaufenden Anordnung sollen die langen und gekrümmten Zuführer durch
kurze gerade Rohre, die die individuelle Krümmung der vertikalen Reaktorrohre
noch absorbieren können,
ersetzt worden sein, und alle anderen Belastungen sollen durch ein
Aufhängungssystem, das
an den Rohrbasen befestigt ist, eliminiert worden sein.
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Perry's Chemical Engineer's Handbook (Perrys
Handbuch des Chemieingenieurs), 6. Auflage, Seiten 9–60 bis
9–63 (1984)
betrifft die hauptsächliche
Klassifizierung von befeuerten Heizgeräten gemäß der Orientierung der Heizschlangen
in der Strahlungszone, das heißt,
ob die Schlangen vertikal oder horizontal sind. Verschiedene Heizgeräte, die durch
Vertikalrohre befeuert werden, schließen vertikal-zylindrische ganz
strahlende, vertikal-zylindrische mit spiralförmiger Schlange, vertikal-zylindrische
mit Querstrom-Konvektionszone, vertikal-zylindrische mit Integral-Konvektionszone
vom Achsen- oder Tortyp, und einreihige doppelwandbefeuerte Vertikalrohre
ein.
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Soweit
die Anmelder wissen, offenbart der Stand der Technik keinen Prozessstrom-Vorwärmungsofen,
der mehrfache horizontal getrennte vertikale Strahlungszellen mit
einer Mehrzahl von oben gehaltenen unten geführten einreihigen vielfach
umlaufenden vertikalen Strahlungsschlangen enthält, die auf gegenüberliegenden
Seiten durch auf dem Boden montierte vertikale Rostbrenner befeuert
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Vielzell-Vertikalofen bereit,
der eine einzelne Konvektionszone mit optionaler Ergänzungsfeuerung
hat, die oberhalb und zwischen den Strahlungszellen angeordnet ist.
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In
einem Aspekt stellt die Erfindung einen Ofen bereit, der als primäre Wärmequelle
in einer Anlage zum Vorwärmen
von Prozessströmen
und hauptsächlich
zur Gebrauchsdampfüberhitzung
verwendbar ist. Der Ofen schließt
eine Mehrzahl von horizontal getrennten vertikalen Strahlungszellen,
eine Konvektionszone ein, die oberhalb der Strahlungszellen angeordnet
ist und davon Verbrennungsgas erhält. Vorzugsweise ist ein Sauggebläse oberhalb der
Konvektionszone angeordnet, und ein Druckgebläse ist oberhalb der Konvektionszone
angeordnet. Die vertikalen Zellen enthalten jeweils eine Mehrzahl von
oben gehaltenen unten geführten
einreihigen vielfach umlaufenden vertikalen Strahlungsschlangen,
die auf gegenüberliegenden
Seiten durch auf dem Boden montierte vertikale Rostbrenner befeuert werden.
Das Druckgebläse
stellt Luft durch einen Luftvorwärmer
bereit, der vorzugsweise zwischen der Konvektionszone und dem Kamin
angeordnet ist, und dann zu den Brennern. Das Sauggebläse zieht Verbrennungsgas
durch den Ofen, wobei es sie in einen Kamin absaugt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei Strahlungszellen im Ofen, und die Konvektionszone oberhalb
der Strahlungszellen ist zwischen den beiden Zellen zentriert. Der
Ofen schließt
vorzugsweise eine Dachzone zwischen den Strahlungszellen und der
Konvektionszone ein. Ergänzungsbrenner können unterhalb
der Konvektionszone angeordnet sein, um für die Konvektionszone Ergänzungswärme bereitzustellen.
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Leitungen
können
eingeschlossen sein, um Verbrennungsluft vom Druckgebläse zu dem
Luftvorwärmer
und dann zu den auf dem Boden montierten Brennern und zu den Ergänzungsbrennern
durchzuleiten.
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Die
Strahlungsschlangen werden vorzugsweise oben gehalten und haben
Einlässe
und Auslässe
am oberen Ende der Strahlungszellen, um eine unbeschränkte thermische
Ausdehnung der Strahlungsschlangen nach unten zu erlauben. Die Konvektionszone
kann verkürzt
sein, um die Abgasgeschwindigkeit in der Konvektionszone zu erhöhen.
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Wenn
der erfindungsgemäße Ofen
verwendet wird, sind die Installationskosten im Vergleich zu anderen
Designs reduziert. Anordnen des Luftvorwärmers und der Druck- und Sauggebläse mit ihren Antrieben
im Ofenaufbau oberhalb der Konvektionszone anstatt auf gleicher
Höhe reduziert
den Flächenbedarf
des Ofens. Die Verwendung des Luftvorwärmers ermöglicht eine erhöhte Wärmerückgewinnung
und reduziert den Brennstoffverbrauch. Mit einer Versetzung der
Ansaug- und Auslassrohre der Strahlungsschlangen und Verwendung
einer verkürzten
Konvektionszone ist der Ersatz der Strahlungsschlangen des Ofens
durch Schaffen eines unversperrten Durchgangs oberhalb des oberen
Endes der Strahlungskammer vereinfacht.
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Die
doppelt befeuerten Strahlungsschlangen ermöglichen hohe mittlere Flußraten,
die die benötigte
Strahlungsoberfläche
reduzieren und ein gleichmäßigeres
Heizen der Rohre in der Strahlungszone bereitstellen. Das doppelt
befeuerte Design erlaubt im Gegensatz zum einfach befeuerten Design
ebenso höhere
Auslasstemperaturen der Prozessflüssigkeit für ein gegebenes Rohrdesign.
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Getrennte
Betriebe können
in jeder der Strahlungszellen mit einer resultierenden Erhöhung der
Flexibilität
bei der Befeuerung bereitgestellt werden, welche den Ofenbedienungsleuten
erlaubt, den Ofen während
des Anheizens, des Abschaltens und während anderer Notfallsituationen
innerhalb seiner Designbeschränkungen
zu halten.
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Vielfache
Befeuerungsorte in jeder Strahlungszelle und in der Konvektionszone
ermöglichen eine
erhöhte
Flexibilität
beim Aufrechterhalten der Prozess- und Gebrauchstemperaturen, während sie eine
bessere Brennstoffverwertung und -effizienz ermöglichen. Eine minimale Anzahl
von Verbrennungsluftleitungen vereinfacht das Design des Verbrennungssteuerungssystems
im Vergleich zu einigen Designs des Standes der Technik.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise weggeschnittene Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Ofens.
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2 ist
eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht des Ofens aus 1.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
Bezug auf die 1 und 2 wird dem Ofen 100 Verbrennungsluft
durch ein Druckgebläse 102 (siehe 1) über einen
Luftvorwärmer 104 und eine
Leitung 106 zu Brennern 108 bereitgestellt. Abgas
wird durch den Ofen 100 von den Brennern 108 über Strahlungszellen 110, 112,
Dachzone 114, Konvektionszone 116, Luftvorwärmer 104,
Sauggebläse 118 und
Kamin 120 hindurchgeleitet.
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Strahlungszellen 110 und 112 werden
auf jeder Seite der Basis des Ofens 100 bereitgestellt,
vorzugsweise mit horizontalem Abstand voneinander (siehe 1).
Wenn gewünscht,
können
weitere Strahlungszellen (nicht gezeigt) bereitgestellt werden.
Jede Strahlungszelle 110, 112 enthält eine Mehrzahl
einreihiger vielfach umlaufender Strahlungschlangen 122,
die auf jeder seiner Seiten durch auf dem Boden montierte Brenner 108,
die aufwärts entlang
der Seitenwände 124 feuern,
befeuert werden. Der Boden 126 ist über einer Basis gestützt, welche
eine Mehrzahl von Betonstützen 128 umfassen
kann.
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Jede
Strahlungsschlange 122 besteht aus vielfachen Serpentinenumläufen, die
entlang der Mittellinie der Strahlungszellen 110, 112 zwischen
den Brennern 108 angeordnet sind. Wie in 1 zu
sehen ist, werden die Schlangen 122 oben gehalten und sind
mit den Ansaugrohren 130, 131 und den Auslassrohren 132, 133 verbunden,
die horizontal versetzt von der Mittellinie oberhalb jeder der Strahlungszellen 110, 112 laufen.
Variable Haltefedern 134 und Penetrationsmanschetten 136 werden
am oberen Ende des Querbalkens 138 verwendet, um die Schlangen 122 zu
halten.
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Ein
Führungsbolzen 140 ist
am unteren Ende jeder Krümmung
an den Schlangen 122 befestigt und reicht nach unten in
die jeweilige Ausdehnungsführung 142,
die im Boden 126 entlang der Mittellinie der jeweiligen
Strahlungszelle 110, 112 angeordnet ist. Die Ausdehnungsführung 142 ist
an der strukturellen Basis auf dem Boden 126 befestigt.
Außer
den Führungsbolzen 140 haben
die Schlangen 122 einen vertikalen Abstand über dem
Boden 126, um eine thermische Ausdehnung der Schlangen 122 zu
ermöglichen,
während
das gegenseitige Eingreifen der Führungsbolzen 140 und
Ausdehnungsführungen 142 die
horizontale Ausrichtung der Schlangen 122 entlang der Mittellinie
aufrechterhält.
Diese Anordnung der Einlässe
und Auslässe
der Schlangen am oberen Ende ermöglicht
eine unbeschränkte
thermische Ausdehnung der Rohre 122 nach unten, was die Möglichkeit
einer Deformation minimiert. Das Design ist flexibel genug, so dass
es nicht notwendig ist, dass jeweils eine Zelle 110, 112 die
gleiche Rohrgröße oder
den gleichen Betrieb wie die andere hat.
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Die
Seitenwände 124 und
der Boden 126 als auch die Wände der Konvektionszone 116,
Dachzonen 114, heiße
Verbrennungsluftleitungen 106, Kamin 120 und ähnliches
werden konventionell mit Isoliermaterialien ausgekleidet, die den
Fachleuten gut bekannt sind, wie zum Beispiel Schamottestein, Silicablockstein,
Keramikfaserdecken, Gussmaterial, etc. Die Materialien werden im
Allgemeinen ausgewählt,
um den Temperaturen gerecht zu werden, die während des Betriebs des Ofens 100 erwartet
werden. Der Schamottestein, der typischerweise auf dem Boden 126 verwendet
wird, kann vorfabriziert werden, um die Brenner 108 und
Ausdehnungsführungen 142 anzupassen.
Die Seitenwände 124 können mit
konventionellen Versteifungen strukturell verstärkt werden (nicht gezeigt),
wie auch die Konvektionszone 116, Dachzonen 114 und
Leitungen 106. Der Aufbau des Ofens 100 kann konventionell
mit diagonaler Versteifung (nicht gezeigt) zur Windversteifung verstärkt werden.
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Die
Strahlungszellen 110, 112 können konventionelle Lochvisiere 144 und
Zugangstüren 146 einschließen. Bühnen 148 können auf
verschiedenen Ebenen um jede Zelle 110, 112 herum
mit Treppen 150 zum Zugang zu den Lochvisieren 144 und
Zugangstüren 146 bereitgestellt
werden. Wenn gewünscht,
können
die Strahlungszellen 110, 112 als eine Mehrzahl
von vorfabrizierten Modulen installiert werden, die zusammen im
Aufbau des Ofens 100 am Platz befestigt werden.
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Die
Konvektionszone 116 ist am oberen Ende und zwischen den
beiden Strahlungszellen 110, 112 angeordnet. Um
die Abgasgeschwindigkeiten zu erhöhen und Kapitalkosten zu reduzieren, kann
die Konvektionszone 116 verkürzt sein, was bedeutet, dass
sie horizontal kürzer
als die Strahlungskammern 110, 112 ist, wie in 2 am
besten zu sehen ist. Die Konvektionszone 116 ist vorzugsweise weniger
als 40 Fuß lang,
während
die Strahlungszellen 110, 112 vorzugsweise länger als
40 Fuß sind, zum
Beispiel 38 Fuß bzw.
50 Fuß.
Die erhöhte
Abgasgeschwindigkeit unterstützt
die Wärmeübertragung,
indem sie den äußeren Wärmeübertragungskoeffizienten
für die
Rohre in der Konvektionszone 116 erhöht. Die verkürzte Länge der
Konvektionszone 116 läßt ebenso
offene Räume
oberhalb von jedem Ende der Strahlungszellen 110, 112,
um die Entfernung und den Ersatz der Schlangen 122 zu erleichtern.
Eine Konvektionszone 116 mit voller Länge kann ebenso verwendet werden,
da diese mit diesem Design arbeitet, jedoch werden die Kapitalkosten
etwas steigen, die Wärmeübertragungseffizienz
kann nicht so gut sein und der Zugang zum Ersatz der Strahlungsrohre
kann stärker
beschränkt
sein.
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Die
Konvektionszone 116 schließt Konvektionsschlangen 116a, 116b, 116c, 116d ein,
die zum Heizen verschiedener Prozess- und Gebrauchsströme bereitgestellt
werden. Zum Beispiel können
die Schlangen 116a und 116b zum Überhitzen
von Hochdruckdampf verwendet werden, und die Schlangen 116c und 116d,
die bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden, zum Vorwärmen von
Versorgungsprozessströmen
vor dem Heizen der Strahlungszellen 110, 112.
Weitere oder weniger Schlangen können
wie gewünscht
in der Konvektionszone 116 verwendet werden.
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Die
Konvektionszone 116 wird vorzugsweise als ein oder mehrere
vorfabrizierte Module installiert. Zum Beispiel sind die Schlangen 116a und 116b als ein
Modul in den 1–2 veranschaulicht,
und die Schlangen 116c und 116d als ein anderes.
Die Module erleichtern die Konstruktion des Ofens 100. Jedes
Modul schließt
vorzugsweise ein terminales Ende 152 und ein Ende 154 zum
Entfernen der Rohre ein. Im Allgemeinen werden Flüssigkeiten,
die in den Schlangen 116a–d erwärmt werden
sollen, am terminalen Ende 152 bereitgestellt und an das
terminale Ende 152 zurückgeführt, während man
das Ende 154 normalerweise nur für Wartungszwecke der Konvektionszone 116 und/oder
für die
Wartung der Rohre auf den Konvektionsschlangen 116a–d betritt.
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Optionale
Brenner 156, die direkt unterhalb der vertikalen Konvektionszone 116 angeordnet
sind, stellen eine Ergänzungsfeuerung
zum Aufrechterhalten der Dampfüberhitzungstemperatur
bereit. Optionale Konvektionsschlangen 158 können ebenso
in der Dachzone 114 (zwischen den Strahlungszellen 110, 112 und
der vertikalen Konvektionsbank 116) installiert sein. Die
Schlangen 158 helfen, die Gastemperatur vor den Ergänzungsbrennern 156 zu
reduzieren, was ein ökonomischeres
Design für
die Schlange 116a in der Konvektionszone 116 erlaubt.
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Der
Luftvorwärmer 104,
das Druckgebläse 102 und
das Sauggebläse 118 sind
oberhalb der Konvektionszone 116 im Ofenaufbau angeordnet. Das
Druckgebläse 102 stellt
Luft für
den Luftvorwärmer 104 bereit
und dann zu den Leitungen 106, welche vorgewärmte Luft
für die
Brenner 108 der Strahlungszone und die Ergänzungsbrenner 156 (siehe 1)
bereitstellen. Eine Drossel 159 wird bereitgestellt, um
das Volumen der Luft einzustellen, die durch das Druckgebläse 102 bereitgestellt
wird. Das Sauggebläse 118 zieht
Verbrennungsgas aus der Konvektionszone 116 und entlädt sie in
den Kamin 120. Eine Drossel 160 (siehe 1)
wird bereitgestellt, um das Volumen des Abgases einzustellen, das
durch das Sauggebläse 118 gezogen
wird und dabei den Betriebsdruck in der Brennkammer steuert. Die
Leitungen 106 haben für
das erwartete Volumen und die erwartete Temperatur der Verbrennungsluft
eine passende Größe und sind
passend isoliert. Die Verbrennungsluft, die über Leitung 169 zu
Ergänzungsbrennern 156 bereitgestellt
wird, wird durch Drossel 162 gesteuert (siehe 2).
Die Verbrennungsluft, die über
die Leitungen 164, 166 (siehe 1)
zu den Brennern 108 bereitgestellt wird, wird ebenso durch
Drosseln 168 (siehe 2) gesteuert. Die
Leitungen 164, 166, 169 können sich
in der Querschnittsfläche
vom jeweiligen Einlass von Leitung 106 zum gegenüberliegenden
terminalen Ende verjüngen,
um die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft aufrechtzuerhalten,
so wie sie die Brenner 108, 156 versorgt. Brennstoff
wird für
die Brenner 108, die Ergänzungsbrenner 156 und
Leitsysteme (nicht gezeigt) über
ein konventionelles Brennstoffverteilungssystem (nicht gezeigt)
bereitgestellt. Konventioneller Brennstoff, der für die Brenner 108, 156 bereitgestellt wird,
schließt
natürliches
Gas, Heizöl
oder ähnliches ein.
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Der
vorliegende Ofen hat einen besonderen Vorteil, wenn er am Eingang
einer synthesegasbasierten Anlage für Methanol oder Ammoniak oder
in einer Wasserstoffanlage verwendet wird. In einer Methanol- Wasserstoff-
oder Synthesegasanlage würde eine
Zelle eine Mischung von Kohlenwasserstoff und Dampf erwärmen, und
die andere Zelle würde
Gebrauchsdampf erwärmen.
In einer Ammoniakanlage erwärmt
eine Zelle eine Mischung von Kohlenwasserstoff und Dampf und die
andere Zelle erwärmt eine
Mischung von Dampf und Luft.
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Verschiedene
Modifikationen sind für
den Fachmann im Lichte der obigen Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen
naheliegend. Es ist beabsichtigt, das derartige Modifikationen,
die nicht vom Geist der Erfindung abweichen, durch die folgenden
Ansprüche
abgedeckt sind.
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Ein
Doppelzellofen zur Prozessstromvorwärmung und Gebrauchsdampfüberhitzung.
Der Ofen verwendet ein Paar vertikaler Strahlungszellen mit oben
gehaltenen unten geführten
einreihigen vielfach umlaufenden vertikalen Schlangen, die auf gegenüberliegenden
Seiten durch auf dem Boden montierte Brenner befeuert werden. Eine
obenliegende Konvektionszone ist zwischen den Strahlungszellen zentriert.
Saug- und Druckgebläse
sind über
der Konvektionszone angeordnet, um Verbrennungsgas in den Kamin
zu ziehen und Luft durch einen Luftvorwärmer zwischen der Konvektionszone
und dem Kamin und zu den Bodenbrennern und Ergänzungsbrennern der Konvektionszone
bereitzustellen. Weitere Konvektionsschlangen sind in der Dachzone
zwischen den Strahlungszellen und der Konvektionszone angeordnet.
Das Ofendesign hat einen reduzierten Flächenbedarf, eine erhöhte Flexibilität beim Heizen
im Vielfachbetrieb und erlaubt ein gleichmäßigeres Heizen der Strahlungsrohre
und einen leichteren Ersatz der Strahlungsrohre.