EP2534286B1

EP2534286B1 - Oxidationsofen

Info

Publication number: EP2534286B1
Application number: EP11701209.6A
Authority: EP
Inventors: Karl Berner
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: US20120304479A1; DE102010007481B4; CN102753741A; US20120304480A1; CN102753741B; WO2011098215A1; EP2534286A1; US9441881B2; JP5856081B2; DE102010007481A1; US8955235B2; JP2013519004A

Description

Die Erfindung betrifft einen Oxidationsofen zur oxidativen Behandlung von Fasern, insbesondere zur Herstellung von Kohlenstofffasern, mit

a) einem Gehäuse, das abgesehen von Einlass- und Auslassbereichen für die Fasern gasdicht ist;
b) einem im Innenraum des Gehäuse befindlichen Prozessraum;
c) einer Einblaseinrichtung, mit welcher Heißluft in den Prozessraum einblasbar ist;
d) mindestens einer in einem Endbereich des Prozessraumes angeordneten Absaugeinrichtung, welche heiße Luft aus dem Prozessraum absaugt und eine Mehrzahl von in vertikalem Abstand voneinander angeordneten Absaugkästen umfasst, die mindestens eine Auslassöffnung für die heiße Luft und an einer Seite mindestens eine mit dem Prozessraum kommunizierende Einlassöffnung für die heiße Luft aufweisen;
e) mindestens einem Ventilator, der die heiße Luft durch die Einblaseinrichtung, den Prozessraum und die Absaugeinrichtung umwälzt;
f) mindestens einer im Strömungsweg der heißen umgewälzten Luft liegenden Heizeinrichtung;
g) Führungsrollen, welche die Fasern serpentinenartig durch die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen führt.

Es gibt verschiedene Arten, die heiße Luft zur Behandlung von Fasern durch einen Oxidationsofen zu führen. Die Strömungsrichtung kann dabei quer zur Fasserrichtung vertikal oder auch horizontal ausgerichtet sein. Zunehmend an Akzeptanz gewinnen solche Oxidationsöfen, die eine Luftführung nach dem Prinzip "center-to-end" besitzen. Bei dieser wird die heiße Luft im mittleren Bereich des Prozessraumes nach beiden Richtungen, also in Richtung auf die gegenüberliegenden Enden des Prozessraumes, ausgeblasen und von Absaugeinrichtungen an diesen beiden Enden des Prozessraumes wieder abgesaugt. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt am Beispiel der "center-to-end" Luftführung; die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt.
Der Prozessraum kann auch als Zone betrachtet werden, die sich in Längsrichtung des Ofens für unterschiedliche Temperaturen und Luftströmungen wiederholt.
Bei bekannten Oxidationsöfen der eingangs genannten Art befinden sich die mit dem Prozessraum kommunizierenden Absaugöffnungen der Absaugkästen an derjenigen Seite, die in die Mitte des Prozessraumes weist. Dies hat zur Folge, dass die Zwischenräume zwischen den Absaugkästen nicht mehr, jedenfalls nicht in nennenswertem Ausmaß, von heißer Luft durchströmt werden. Die Wegstrecken, welche die Fasern zwischen den Absaugkästen zurücklegen, fallen also für die oxidative Behandlung aus. Da aus Gründen der Luftverteilung die Absaugkästen nicht unerhebliche Dimensionen aufweisen müssen, fallen die Strecken, in denen mangels Luftströmung eine oxidative Behandlung der Fasern nicht stattfindet, durchaus ins Gewicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oxidationsofen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine geforderte Strecke der oxidativen Behandlung der Fasern in einem kleineren Volumen des Ofens untergebracht, insbesondere der Ofen niedriger gebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

h) mindestens eine mit dem Prozessraum kommunizierende Einlassöffnung in der nach außen weisenden, also von der Prozessraummitte entfernten Seite der Absaugkästen vorgesehen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme wird erreicht, dass zumindest ein Teil der heißen Luft zwischen den Absaugkästen weiter in Richtung nach außen zum Ende des Prozessraumes strömt und erst dann durch die Saugwirkung an den auf den Außenseiten der Absaugkästen liegenden Einlassöffnungen umgelenkt, entfernt und wieder dem Luftkreislauf zugeführt wird. Dies hat zur Folge, dass die Fasern auch in den Zwischenräumen zwischen den Absaugkästen von heißer Luft umspült und oxidiert werden können. Insgesamt ist es auf diese Weise möglich, den Oxidationsofen kleiner zu bauen, da die von den Fasern durchlaufenen Wegstrecken besser ausgenutzt werden als beim Stand der Technik.
Besonders wertvoll ist, dass bei gleicher Ofenlänge der Ofen niedriger gehalten werden kann. Hiermit ist eine ganze Reihe von Vorteilen verbunden: Da wenige serpentinenartige Durchläufe der Fasern durch den Prozessraum benötigt werden, können Umlenkrollen für die Fäden und Schleuseneinrichtungen, welche im Bereich des Ein- und Austritts der Fäden in den Prozessraum eine Entweichung von Luft verhindern, eingespart werden. Zudem ergibt sich für den Gesamtofen eine Gewichtsersparnis, was sich für die Kosten eines Stahlbaues, auf dem der Ofen aufgebaut ist, günstig auswirkt. Zudem erhöht sich aufgrund der besseren Luftumströmung der Fäden im Prozessraum die Qualität des erzielten Produkts.
Besonders bei der Luftführung "center-to-end" ist es zweckmäßig, wenn mit dem Prozessraum kommunizierende Einlassöffnungen in zwei gegenüberliegenden Seiten der Absaugkästen vorgesehen sind. Durch Wahl der Gesamtquerschnitte der auf gegenüberliegenden Seiten liegenden Einlassöffnungen kann der Anteil der Luft festgelegt werden, der nicht bereits an den nach innen weisenden Einlassöffnungenabgesaugt wird sondern die Zwischenräume zwischen den Absaugkästen nach außen durchströmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oxidationsofens sind in den Einlassbereichen des Gehäuses Schleuseneinrichtungen vorgesehen, die für jeden zwischen den Absaugkästen liegenden Zwischenraum einen mit diesem kommunizierenden Luftraum besitzen, der von der Außenatmosphäre durch eine Abschlusswand getrennt ist, die nur Durchlässe für die Fasern aufweist, und der mit unter Überdruck stehender Luft beaufschlagbar ist. Diese unter Überdruck stehende frische Luft sorgt zuverlässig dafür, dass auch die aus dem Prozessraum stammende, die Zwischenräume zwischen den Absaugkästen durchströmende heiße Luft nicht aus dem Ofen entweichen kann. Was durch die Abschlusswand letztendlich in die Außenatmosphäre tritt, ist nur die unter Überdruck stehende Luft in den jeweiligen Zwischenräumen, die selbst aus der Außenatmosphäre stammt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Figur 1: einen Vertikalschnitt durch einen Oxidationsofen zur Herstellung von Kohlefasern gemäß Linie I-I von Figur 2;
Figur 2: einen horizontalen Schnitt durch den Oxidationsofen von Figur 1;
Figur 3: eine Detailvergrößerung aus Figur 1 im Bereich einer Absaugeinrichtung;
Figur 4: einen Schnitt, ähnlich der Figur 3, in dem jedoch mehr Details dargestellt sind.

Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen, in denen ein Oxidationsofen dargestellt ist, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist und zur Herstellung von Kohlenstofffasern eingesetzt wird. Der Oxidationsofen 1 umfasst ein Gehäuse 2, das seinerseits aus zwei vertikalen Längswänden 2a, 2b, zwei vertikalen Stirnwänden 2c, 2d, einer Deckwand 2e und einer Bodenwand 2f zusammengesetzt ist. Das Gehäuse 2 ist mit Ausnahme zweier Bereiche 3, 4 in den Stirnwänden 2c und 2d, in denen die zu behandelnden Fasern 20 ein- und ausgeführt werden und die mit besonderen Schleuseneinrichtungen 22 versehen sind, gasdicht.
Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, ist der Innenraum des Gehäuses 2 durch eine vertikale Trennwand 5 in den eigentlichen Prozessraum 6 und seitlich von diesem liegende Luftleiträume 7, 8, 9, 10, 11, 12 unterteilt. Insgesamt ist der Innenraum des Oxidationsofens 1 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der in Figur 2 angedeuteten vertikalen Mittelebene S-S ausgebildet.
Im mittleren Bereich des Prozessraumes 6 befindet sich eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 13 versehene Einblaseinrichtung, die.weiter unten ausführlicher erläutert wird. In den beiden außenliegenden Endbereichen des Prozessraumes 6, jeweils den Ein- und Austrittsbereich 3, 4 benachbart, befinden sich Absaugeinrichtungen 14 bzw. 15, die ebenfalls weiter unten näher beschrieben werden.
Im Inneren des Gehäuses 2 werden zwei gegenläufige Luftkreisläufe aufrecht erhalten: Ausgehend beispielsweise von den Absaugeinrichtungen 14, 15 wird die Luft im Sinne der in Figur 2 erkennbaren Pfeile durch die Luftleiträume 7 bzw. 12 zu einem Filter 16 bzw. 17 und sodann durch ein Heizaggregat 32a bzw. 32b in den Luftleitraum 8 bzw. 11 geführt. Aus dem Luftleitraum 8 bzw. 11 wird die erwärmte Luft von einem Ventilator 31a bzw. 31b abgesaugt und in die Luftleiträume 9 bzw. 10 eingeblasen. Von dort gelangt die Luft jeweils in eine Hälfte der Einblaseinrichtung 13, von dort gegensinnig strömend in den Prozessraum 6 und von dort zur Absaugeinrichtung 14 bzw. 15, womit die beiden Luftkreisläufe geschlossen sind.
In der Wand des Gehäuses 2 sind zwei Auslässe 30a, 30b vorgesehen. Über diese können diejenigen Gas- bzw. Luftvolumina abgeführt werden, die entweder bei dem Oxidationsprozess entstehen oder als Frischluft über die Ein- und Austrittsbereiche 3, 4 in den Prozessraum 6 gelangen, um so den Lufthaushalt im Oxidationsofen 1 aufrecht zu erhalten. Die abgeführten Gase, die auch giftige Bestandteile enthalten können, werden einer thermischen Nachverbrennung zugeführt. Die dabei gewonnene Wärme kann zumindest zur Vorerwämung der dem Oxidationsofen 1 zugeführten Frischluft verwendet werden.
Die Einblaseinrichtung 13 ist im Detail wie folgt aufgebaut:

Sie umfasst zwei "Stapel" von Einblaskästen 18. Jeder dieser Einblaskästen 18 hat die Form eines hohlen Quaders, wobei die längere Dimension sich quer zur Längsrichtung des Prozessraumes 6 über dessen gesamte Breite erstreckt. Die jeweils zum Prozessraum 6 zeigenden Schmalseiten der Einblaskästen 18 sind als Lochbleche 18a ausgebildet. Jeweils eine Stirnseite jedes Einblaskastens 18 steht mit dem Luftleitraum 9 bzw. Luftleitraum 10 so in Verbindung, dass die vom Ventilator 31a bzw. 31b geförderte Luft in den Innenraum des jeweiligen Einblaskastens 18 eingeblasen wird und von dort über die Lochbleche 18a austreten kann.

Die verschiedenen Einblaskästen 18 in jedem der beiden Stapel sind mit einem geringfügigen Abstand übereinander angeordnet; die beiden Stapel von Einblaskästen 18 wiederum sind, in Längsrichtung des Ofens bzw. Bewegungsrichtung der Fäden 20 gesehen, ebenfalls voneinander beabstandet. Idealerweise (und abweichend von den in Figur 1 dargestellten Verhältnissen) ist der vertikale Abstand zwischen zwei Einblaskästen 18 in einem Stapel derselbe wie der Abstand zwischen den beiden Stapeln 18 in Längsrichtung des Prozessraumes 6.
Die beiden Absaugeinrichtungen 14, 15, von denen die in den Figuren 1 und 2 linke mit dem Bezugszeichen 14 in Figur 3 dargestellt ist, werden im Wesentlichen von jeweils einem Stapel von Absaugkästen 19 gebildet die sich in ähnlicher Weise wie die Einblaskästen 18 in Querrichtung durch den gesamten Prozessraum 6 erstrecken und an ihren quer zur Längserstreckung des Prozessraumes 6 verlaufenden Schmalseiten als Lochbleche 19a ausgebildet sind. Die Löcher in den Lochblechen 19a können dabei jede geometrische Form haben. Die Absaugkästen 19 in den Absaugeinrichtungen 14, 15 haben denselben vertikalen Abstand voneinander wie die Einblaskästen 18 in der Einblaseinrichtung 13.
Die Luftströmungen im Bereich der Absaugeinrichtung 14 sind in Figur 3 durch Pfeile dargestellt. Ein erheblicher Teil der aus dem Mittelbereich des Prozessraumes 6 kommenden Luft tritt über das zur Mitte des Prozessraumes 6 weisende Lochblech 19a in die Innenräume der Absaugkästen 19 ein und wird von dort, wie oben beschrieben, weiter umgewälzt. Ein anderer Teil der aus dem mittleren Bereich des Prozessraumes 6 kommenden Luft strömt durch die Zwischenräume zwischen den übereinanderliegenden Absaugkästen 19 und wird durch das außenliegende Lochblech 19a der Absaugkästen 19 ebenfalls in den Innenraum der Absaugkästen 19 eingesaugt und von dort dem weiteren Luftkreislauf zugeführt.
Die zu behandelnden Fasern 20 werden dem Oxidationsofen 1 über eine Umlenkrolle 21 zugeführt und durchtreten dabei eine Schleuseneinrichtung 22, die in den Figuren 1 und 3 noch nicht genau dargestellt ist und dazu dient, kein Gas aus dem Prozessraum 6 nach außen entweichen zu lassen. Die Fasern 20 werden sodann durch die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen 19, durch den Prozessraum 6, durch die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Einblaskästen 18 in der Einblaseinrichtung 13, durch den Zwischenraum zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen 19 am gegenüberliegenden Ende des Prozessraumes 6 und durch eine weitere Schleuseneinrichtung 22 geführt.
Der geschilderte Durchgang der Fasern 20 durch den Prozessraum 6 wird serpentinenartig mehrfach wiederholt, wozu in beiden Endbereichen des Oxidationsofens 1 mehrere mit ihren Achsen parallel übereinanderliegende Umlenkrollen 24 bzw. 25 vorgesehen sind. Nach dem obersten Durchgang durch den Prozessraum 6 verlassen die Fasern 20 den Oxidationsofen 1 und werden dabei über eine weitere Umlenkrolle 26 geführt. Während des serpentinenartigen Durchgangs der Fasern 20 durch den Prozessraum 6 werden diese von heißer, sauerstoffhaltiger Luft umspült und dabei oxidiert. Beim Austritt aus dem Oxidationsofen ist zumindest eine Oxidationssstufe im Wesenlichen abgeschlossen. Weitere Oxidationsstufen können folgen.
Aufgrund der an beiden schmalen Längsseiten der Absaugkästen 19 vorgesehenen Lochbleche 19a kann die heiße Luft an beiden gegenüberliegenden Seiten der Absaugkästen 19 in deren Innenraum eintreten. Dies hat zur Folge, dass anders als beim Stande der Technik auch die Zwischenräume zwischen den übereinanderliegenden Absaugkästen 19 von Luft durchströmt werden und die hier befindlichen Abschnitte der Fasern 20 von Luft umspült werden. Diese Streckenbereiche sind daher anders als beim Stande der Technik für den Oxidationsvorgang wirksam. Bei gleicher Ofenlänge kann deshalb verglichen mit Oxidationsöfen nach dem Stande der Technik, wie sie eingangs geschildert wurden, Ofenhöhe eingespart werden. Auf die hiermit verbundenen Vorteile wurde schon oben verwiesen.
Während das oben beschriebene Ausführungsbeispiel eines Oxidationsofens speziell auf die "center-to-end" Luftführung zugeschnitten ist, eignet sich das nachfolgend anhand der Figur 4 beschriebene Ausführungsbeipiel für alle Arten der Luftführung, also auch für eine solche, die vertikal oder horizontal senkrecht zur Faserrichtung verläuft.
In Figur 4 ist in ähnlicher Weise wie in Figur 3 ein vertikaler Schnitt durch einen Endbereich eines Oxidationsofens 101 dargestellt, der demjenigen der Figur 3 ähnelt, jedoch hinsichtlich der Schleuseneinrichtung 123 mehr Details zeigt. Auch bei dem Oxidationsofen 101 der Figur 4 werden die Absaugeinrichtungen 115 von einem Stapel übereinanderliegender Absaugkästen 119 gebildet. Anders als die Absaugkästen 19 des ersten Ausführungsbeispieles sind die Absaugkästen 119 der Figur 4 nur an der nach außen zeigenden schmalen Seite mit Eintrittsöffnungen für das Gas versehen, während die gegenüberliegende schmale Seite, die zur Mitte des Prozessraumes 6 zeigt, verschlossen ist.
An der Ober- und der Unterseite der Absaugkästen 119 sind Winkelprofile 125 befestigt, die sich quer zur Strömungsrichtung der Luft (durch Pfeile angedeutet) erstrecken. Diese Winkelprofile 125 haben die Aufgabe, den Luftwiderstand zu erhöhen und die Absaugung zu vergleichmäßigen. Im Luftweg zwischen den Aubsaugkästen 119 und den Luftleitäumen 7 und 12 der Figur 2 kann für jeden Absaugkasten 119 eine individuell einstellbare Drosselklappe (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um den abgesaugten Volumenstrom für jeden Absaugkasten 119 gleich zu halten.
Die Schleuseneinrichtung 123 umfasst ein äußeres, gefaltetes, profiliertes Blech 126 als Abschlusswand zu Außenatmosphäre, das an denjenigen Stellen, in denen die Fäden 120 durchtreten, mit entsprechenden Durchtrittsöffnungen 127 versehen ist. Auf der Höhe von jedem Absaugkasten 119 ist ein Luftkanal 128 angebracht, der im Sinne des Pfeiles 129 mit unter Druck stehender Frischluft versorgt werden kann. An dem dem Blech 126 benachbarten Ende sind an den Luftkanal 128 gewinkelte Luftleitbleche 130 angeformt oder befestigt. Zwischen diesen Luftleitblechen 130 und dem Blech 126 ergeben sich, wie in der Zeichnung dargestellt und durch kleine Pfeile symbolisiert, schmale Durchgänge für die Luft, die auf diesem Wege insbesondere in den Bereich der Öffnungen 127 in dem Blech 126 gelangen.
Ein anderer Teil der Luft strömt in Richtung auf den Prozessraum 106, gelangt jeweils in einen Luftraum 131 und stößt dann auf die durch die Zwischenräume zwischen den Absaugkästen 119 nach außen strömende Luft. Dies hat zur Folge, dass beide Luftströme nach oben und unten ausweichen und nunmehr in den Bereich der offenen schmalen Seiten der Absaugkästen 119 gelangen. Von dort werden sie durch die Innenräume der verschiedenen Absaugkästen 119 abgesaugt.
Aufgrund des Überdruckes der in die Luftkanäle 128 und damit in die Lufträume 131 eingeführten Luft ist es nicht möglich, dass Gase aus dem Innenraum des oxidationsofens 1, die gesundheitsschädlich sein können, aus dem Oxidationsofen 101 austreten.

Claims

Oxidationsofen zur oxidativen Behandlung von Fasern (20) mit
a) einem Gehäuse (2), das abgesehen von Einlass- und Auslassbereichen (3, 4) für die Fasern gasdicht ist;

b) einem im Innenraum des Gehäuses (2) befindlichen Prozessraum (6; 106);

c) einer Einblaseinrichtung (13), mit welcher Heißluft in den Prozessraum (6; 106) einblasbar ist;

d) mindestens einer in einem Endbereich des Prozessraumes (6; 106) angeordneten Absaugeinrichtung (14, 15; 115), welche heiße Luft aus dem Prozessraum (6; 106) absaugt und eine Mehrzahl von in vertikalem Abstand voneinander angeordneten Absaugkästen (19; 119) umfasst, die mindestens eine Auslassöffnung (30a, 30b) für die heiße Luft und an einer Seite mindestens eine mit dem Prozessraum (6; 106) kommunizierende Einlassöffnung (19a) für heiße Luft aufweisen;

e) mindestens einem Ventilator (31), der die heiße Luft durch die Einblaseinrichtung (13), den Prozessraum (6; 106) und die Absaugeinrichtung (14, 15) umwälzt;

f) mindestens einer im Strömungsweg der heißen umgewälzten Luft liegenden Heizeinrichtung (32);

g) Führungsrollen (24, 25), welche die Fasern serpentinenartig durch die Zwischenräume zwischen übereinanderliegenden Absaugkästen (19; 119) führen;
dadurch gekennzeichnet, dass
h) mindestens eine mit dem Prozessraum (6; 106) kommunizierende Einlassöffnung (19a) in der nach außen weisenden, also von der Prozessraummitte entfernten Seite der Absaugkästen (19) vorgesehen ist.
Oxidationsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Prozessraum (6) kommunizierende Einlassöffnungen (19a) in zwei gegenüberliegenden Seiten der Absaugkästen (19) vorgesehen sind.
Oxidationsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Einlassbereichen (3, 4) des Gehäuses (2) Schleuseneinrichtungen (122) vorgesehen sind, die für jeden zwischen den Absaugkästen (119) liegenden Zwischenraum einen mit diesem kommunizierenden Luftraum (131) besitzen, der von der Außenatmosphäre durch eine Abschlusswand (126) getrennt ist, die nur Durchlässe (127) für die Fasern (120) aufweist, und der mit unter Überdruck stehender Luft beaufschlagbar ist.
Oxidationsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass er zur Herstellung von Kohlenstofffasern ausgebildet ist.