DE960847C - Verfahren und Vorrichtung zur rekuperativen Erhitzung von unter UEberdruck stehenden Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung zur rekuperativen Erhitzung von unter Überdruck stehenden Gasen, insbesondere des Windes für Hochöfen. In der Regel wird die Erhitzung solcher Gase auf regenerativem Wege in der einen Kammer eines Steinregenerators vorgenommen, dessen andere Kammer während dieser Betriebsperiode durch verbrennende Gase aufgeheizt wird. Bei Zugwechsel werden die wärmeabgebenden Gase in die erste abgekühlte und die wärmeaufnehmenden Gase in die zweite aufgeheizte Kammer eingeleitet. Dieser Zwang des jedesmaligen Umstellens von einer auf die andere Kammer ist ein unvermeidlicher Nachteil des Regenerativverfahrens, weil hierzu umständliche Umstelleinrichtungen und eine aufmerksame Bedienung erforderlich sind.

Rekuperatoren, bei denen bekanntlich der Wärmeaustausch ohne jede Umstellung ständig von der heißeren Seite durch eine Wand nach der kälteren Seite hin stattfindet, sind demgegenüber im Betriebe ganz erheblich einfacher und erfordern nur eine Kammer etwa dergleichen Abmessung wie nur eine Kammer eines Regenerators derselben Leistung und benötigen kaum eine Überwachung. Die üblichen Steinrekuperatoren konnten nun bisher nur dann benutzt werden, wenn wärmeabgebende und wärmeaufnehmende Medien unter ungefähr dem gleichen Druck standen. Da sie bei höheren Druckunterschieden nicht dicht genug sind, bestand bisher keine Möglichkeit, unter Überdruck stehende Gase, insbesondere den Hochofenwind, der unter einem Druck bis 1,5 atü und mehr steht, in solchen Steinrekuperatoren zu erhitzen.

" Da auf der wärmeabgebenden Seite die Heizgase Atmosphärendruck aufweisen, ergab sich wegen der unvermeidlichen Undichtigkeiten stets ein untragbarer Verlust der wärmeaufnehmenden Gase durch Übertritt zur Rauchgasseite.

Aus diesem Grunde wurde schon versucht, mit Stahlrekuperatoren zu arbeiten, die auch gegen große Druckunterschiede unempfindlich sind. Jedoch muß man wegen der erforderlichen hohen Temperaturen

ίο dafür kostspielige hochhitzebeständige Stähle verwenden, deren Lebensdauer zudem nur sehr beschränkt ist. Trotz ihrer großen Wärmeleitfähigkeit hat man daher zumindestens in höheren Temperaturbereichen auf die Verwendung von Stahlrekuperatoren wieder verzichtet.

In neuerer Zeit ist es nun gelungen, Steinrekuperatoren mit wesentlich besserem Wärmedurchgang und außerdem auch mit besserer Dichtheit des Mauerwerks zu entwickeln, als ihn die früheren Bauarten besitzen.

Diese erzielt man dadurch, daß alle abdichtenden Flächen der Rekuperatorsteine nur in waagerechten Ebenen liegen und eine durchlaufende Fuge durch Anordnung umlaufender Nuten und Federn vermieden wird. Das Gewicht der aus vielen Einzelsteinen zusammengesetzten Säulen drückt auf die waagerechten Dichtflächen und hält sie zusammen. Zwecks möglichst gutem Wärmedurchgang sieht man auf der kälteren Seite des Rekuperators, wo der Wärmeübergang an sich schlechter ist, eine Vielzahl Meiner ellipsenförmiger Kanäle mit kleinem hydraulischem Durchmesser und großer Oberfläche vor. Auf der Heizgasseite mit an sich besserem Wärmeübergang werden dagegen Räume größeren Querschnittes angeordnet, so daß auch die Wärmestrahlung der leuchtenden Flammengase gut zur Wirkung kommt. Zweckmäßig sieht man außerdem in jeder Steinlage noch Verengungen vor, die eine starke Durchwirbelung der durchströmenden Medien und dadurch einen günstigen konvektiven Wärmeübergang hervorrufen.

Vorzugsweise unterVerwendung derartiger neuzeitlicher, verbesserter Steinrekuperatoren besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, daß der Druck auf der Seite der wärmeabgebenden Heizgase mittels eines durch den Druck der wärmeaufnehmenden Medien betätigten Reglers so eingestellt wird, daß zwischen den wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Medien innerhalb des Steinrekuperators kein oder kein erheblicher Druckunterschied herrscht. Auf diese Weise können auch unter Überdruck stehende Gase in Steinrekuperatoren ohne jede Gefahr von Gasverlusten ebenso bequem erhitzt werden wie es bisher nur bei rekuperativer Erwärmung unter Atmosphärendruck möglich war.
Als wärmeabgebendes Medium können heiße Abgase dienen, die man durch Verbrennung von Heizgas und Luft an der Austrittsseite des aufnehmenden Mediums erzeugt. Besondere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß sowohl das Heizgas als auch die Verbrennungsluft diesen Brennstellen mit einem um den normalen Druckverlust im Brenner höheren Druck zugeführt wird als ihn das wärmeaufnehmende Medium aufweist. Die Druckregelung im Rekuperator auf der Seite der Verbrennungsgase erfolgt dabei durch selbsttätige Drosselung ihres Austrittsquerschnittes unter dem Einfluß des Druckes auf der Seite des vorzuwärmenden Mediums.

Eine Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich der Wirkungsgrad eines Rekuperators bei wechselnder Belastung wenig ändert. Zur Erwärmung einer bestimmten Gasmenge auf eine bestimmte Temperatur gehört daher eine gleichbleibende Wärmemenge, die in Abhängigkeit von den gewünschten Verhältnissen durch das Heizgas zugeführt werden muß. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, die Heizgasmenge dem Rekuperator in Abhängigkeit von der zu erwärmenden Gasmenge zuzuführen und mittels eines selbsttätigen Geroischreglers ein einstellbares und gleichbleibendes Mischungsverhältnis zwischen Heizgas und Verbrennungsluft zu halten.

Nicht selten wird man aber im Rekuperator Heizgas verbrennen müssen, dessen Heizwert und spezifisches Gewicht starken Schwankungen unterliegt. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird in solchen Fällen die Heizgasmenge durch von einem Heizwert- und einem Dichteprüfer gesteuerte Regler so berichtigt, daß den Brennstellen des Rekuperators stets eine gleichbleibende Wärmemenge im Heizgas zugeführt wird. Mit Hilfe dieser und der vorgenannten Maßnahme ist es in jedem Fall möglich, das vorzuwärmende Gas auf die gewünschte Endtemperatur laufend gleichmäßig zu erhitzen. Man kann den Heißwind ohne weiteres auf Temperaturen von 1000⁰ und mehr bringen und dadurch im Hochofen erheblich an Koks sparen.

Besonders vorteilhaft ist es, zur gleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb des Steinrekuperators eine Mehrzahl von Brennstellen vorzusehen. In diesem Fall werden die erwähnten Regler zweckmäßig in den Hauptzuleitungen für Heizgas und Verbrennungsluft angeordnet, wodurch man eine selbsttätige Einstellung des Mischverhältnisses und der Heizgasmenge in Abhängigkeit von Heizwert und spezifischen Gewicht des Heizgases erreicht. Zur gleichmäßigen Verteilung von Heizgas und Luft auf die einzelnen Brennstellen können in den zu ihnen führenden Zweigleitungen einstellbare Drosselblenden od. dgl. vorgesehen werden. Ein auf diese Weise geregelter Rekuperator arbeitet vollkommen selbsttätig und erfordert keinerlei Bedienung. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, haben Metallrekuperatoren ungleich größere Wärmeleitfähigkeit als no Steinrekuperatoren. Es ist daher zweckmäßig, innerhalb der tieferen Temperaturbereiche, in denen der Wärmeübergang an sich nur langsam vor sich geht, Metallrekuperatoren zu verwenden und nur für die höheren Temperaturbereiche Steinrekuperatoren zu benutzen. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß jeder Rekuperator in demjenigen Temperaturbereich eingesetzt ist, in dem er die größten Vorzüge bietet. Außerdem können nunmehr die Metallrekuperatoren aus wenig hitzebeständigen und daher ganz erheblich billigeren Werkstoffen hergestellt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer ur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Vorrichtung dargestellt. Es zeigt

Abb. ι einen senkrechten Schnitt nach Linie A—A der Abb. 2 und

Abb. 2 waagerechte Querschnitte nach den Linien B—B bzw. C-B der Abb. i.

Mit ι ist die druckdichte Wandung eines zur Erhitzung von Hochofenwind dienenden Rekuperators bezeichnet, die ein wärmeisolierendes und feuerfestes Futter 2 umschließt. Jeder der Rekuperatorsteine 3 enthält eine Mehrzahl kleiner Kanäle mit ellipsenförmigem Querschnitt, durch die der Kaltwind von unten nach oben strömt. Zu seiner Zuführung dient eine Druckleitung 4, aus welcher der Kaltwind über eine Drosselscheibe 5 in einen Verteilraum 6 am Fuß des Rekuperators eintritt. Der in den Steinen 3 erhitzte Heißwind sammelt sich am Kopf des Rekuperators in einem Raum 7 und strömt von hier in eine zum Hochofen führende Windleitung 8. Die einzelnen Rekuperatorsteine 3 sind zu Säulen dicht aufeinandergesetzt und ruhen auf Zwischenwänden, die den Windverteilungsraum 6 durchsetzen. Zwischen sich lassen die r Steine 3 Räume frei, die von den Verbrennungsgasen in der Richtung von oben nach unten durchströmt werden. .

Den am Kopf des Rekuperators angeordneten Brennstellen wird Heizgas aus einer Leitung 9 und Verbrennungsluft aus Leitung 10 zugeführt, in denen sich Drosselscheiben 11 bzw. 12 befinden. Am freien Ende der zu den einzelnen Brennstellen führenden Verteilleitungen 13 findet die Vereinigung von Heizgas und Luft und damit deren Verbrennung statt. Am Fuße des Rekuperators strömen die Abgase, die auf dem Wege zwischen den Rekuperatorsteinen 3 den größten Teil ihrer fühlbaren Wärme an den vorzuwärmenden Heißwind abgegeben haben, durch Abgaskanäle 14 mit Drosselscheiben 15 in eine Sammelleitung 16. In dieser befindet sich eine Drosselklappe 17, zu deren Betätigung ein Steuerzylinder 18 eines Differenzdruckreglers 20 dient, der mit diesem durch Leitungen 19 verbunden ist. Durch Leitungen 21 ist Regler 20 an die Rauchgasseite und durch Leitungen 22 an die Windseite des Rekuperators angeschlossen.

Die Kaltwindzuleitung 4 enthält eine Blende 27, die Heizgaszuleitung 9 eine Blende 30 und die Luftzuleitung 10 eine Blende 31. Eine in der Gaszuleitung 9 angeordnete Drosselklappe 23 wird von einem Steuerzylinder 24 betätigt, der über Öldruckleitungen 25 mit einem Gemischregler 26 in Verbindung steht. Dieser ist über Leitungen 28 und 29 vor und hinter Blende 27 an die Kaltwindleitung 4 und über Leitungen 32 und 33 vor und hinter Blende 30 an die Heizgasleitung 9 angeschlossen. In ähnlicher Weise dient zur Betätigung einer in der Luftzuleitung 10 befindlichen Drosselklappe 34 ein Steuerzylinder 35, der mit einem Gemischregler 36 verbunden ist. Dieser wiederum steht durch Leitungen 37 und 38 mit den Leitungen 32 und 33 des Reglers 26 und durch Leitungen 39 und 40 vor und hinter der Blende 31 mit der Luftzuleitung 10 in Verbindung.

Sobald der Kaltwind durch Leitung 4 dem Rekuperator zuströmt und auf dessen Windseite ein höherer Druck entsteht, wird dieser durch Impulsleitung 22 auf den Differenzdruckregler 20 übertragen. Dieser betätigt dann die Drosselklappe 17 in der Weise, daß der Druck auf der Heizgasseite des Rekuperators auf die gleiche Höhe steigt wie auf der Windseite. Gleichzeitig wird durch den an Blende 27 erzeugten Differenzdruck mit Hilfe des Reglers 26 Drosselklappe 23 geöffnet und den einzelnen Brennstellen Heizgas zugeführt. Dadurch entsteht an Blende 30 ebenfalls ein Differenzdruck, der über die Impulsleitungen 37 und 38 auf Gemischregler 36 einwirkt. Dieser betätigt über den Steuerzylinder 35 die Drosselklappe 34 in der Weise, daß das eingestellte Verhältnis von Heizgas zu Verbrennungsluft erzielt wird. Damit ist völlig selbsttätig und ohne Bedienung der Beharrungszustand des Rekuperators erreicht.

Die gewünschte Endtemperatur des Heißwindes kann man durch Änderung des Heizgas-Wind-Verhältnisses einstellen. Bei Änderung der Windmenge ändert sich auch die Heizgasmenge unter Einwirkung des Gemischreglers 26 selbsttätig in der Weise, daß auch dann die erwähnte Endtemperatur praktisch gleich bleibt. Für den Fall, daß die selbsttätige Differenzdruckregelung einmal versagt, kann man eine Anordnung vorsehen, daß sich dann die Drosselreglerklappe sofort schließt und gleichzeitig die Heizgas- und Luftzufuhr abgesperrt wird.

Soll der Rekuperator mit höheren Überdrücken betrieben werden, so ist seine äußere Wandung ι entsprechend druckfest und am vorteilhaftesten rund auszubilden. Bei größeren Abmessungen ist es zweckmäßig, die Brennstellen für Heizgas und Luft mögliehst gleichmäßig auf den Querschnitt des Rekuperators zu verteilen. Man kann natürlich auch die Verbrennung unter Druck außerhalb des Rekuperators vornehmen und diesem nur die heißen Verbrennungsgase zuführen.

Weiterhin ist es möglich, im unteren Temperaturbereich bis etwa 300 bis 400⁰ den Wärmeaustausch in Metallrekuperatoren vorzunehmen. Zweckmäßig erfolgt die Einschaltung eines solchen Metallrekuperators auf der Windseite in die Zuleitung 4 des Kaltwindes zwischen Blende 27 und den Abzweigungen zum Verteilraum 6 und auf der Heizgasseite in Abgasleitung 16 zwischen den Abgaskanälen 14 und der Drosselklappe 17. In diesem Fall kann natürlich die Wärmeaustauschfläche des Steinrekuperators entsprechend klei- 105. ner gehalten werden.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur rekuperativen Erhitzung von unter Überdruck stehenden Gasen, insbesondere des Windes für Hochöfen, in einem Steinrekuperator, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf der Seite der wärmeabgebenden Heizgase mittels eines durch den Druck der wärmeaufnehmenden Gase betätigten Reglers so eingestellt wird, daß zwischen den wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Medien innerhalb des Steinrekuperators kein oder kein erheblicher Druckunterschied herrscht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Heizgas als auch Verbrennungsluft an der Austrittsseite des wärmeaufnehmenden Mediums angeordneten Brennstellen mit höherem Druck zugeführt werden, als ihn das

wärmeaufnehmende Medium beim Austritt aufweist, und daß der Druck der von den Brennstellen abströmenden Verbrennungsgase durch einen auf eine Drosselklappe in der Abgasleitung hinter dem Steinrekuperator wirkenden Regler innerhalb des Rekuperators auf etwa der gleichen Höhe wie der Druck des wärmeaufnehmenden Mediums gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizgasmenge dem Rekuperator in Abhängigkeit von der im Rekuperator zu erwärmenden Gasmenge zugeführt wird und mittels eines selbsttätigen " Gemischreglers ein einstellbares und gleichbleibendes Mischungsverhältnis zwischen Heizgas und Verbrennungsluft gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei schwankendem Heizwert und schwankendem spezifischem Gewicht des Heizgases dessen Menge durch von einem Heizwert- und einem Dichteprüfer gesteuerte Regler so berichtigt wird, daß den einzelnen Brennstellen stets eine gleichbleibende Wärmemenge im Heizgas zugeführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anordnung von Reglern in den Hauptzuleitungen für Heizgas und Verbrennungsluft zur Einstellung des Gemischverhältnisses und der Heizgasmenge in Abhängigkeit von Heizwert und spezifischem Gewicht des Heizgases sowie der Anordnung von Drosselblenden in den zu den einzelnen Brennstellen führenden Zweigleitungen zur gleichmäßigen Verteilung von Heizgas und Luft auf die Brennstellen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Steinrekuperator zum Wärmeaustausch innerhalb der tieferen Temperaturbereiche ein MetaUrekuperator vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Stahl und Eisen« 52. Jahrg. (1932) S. 994.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 852 3.57