WO2009121326A2 - Industrieofen sowie verfahren zum betrieb eines industrieofens - Google Patents

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WO2009121326A2
WO2009121326A2 PCT/DE2009/000389 DE2009000389W WO2009121326A2 WO 2009121326 A2 WO2009121326 A2 WO 2009121326A2 DE 2009000389 W DE2009000389 W DE 2009000389W WO 2009121326 A2 WO2009121326 A2 WO 2009121326A2
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industrial furnace
convection
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Manfred Husslein
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Manfred Husslein
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/12—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity with special arrangements for preheating or cooling the charge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0037—Rotary furnaces with vertical axis; Furnaces with rotating floor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0056—Furnaces through which the charge is moved in a horizontal straight path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/14—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment
    • F27B9/16—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment the charge moving in a circular or arcuate path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases

Definitions

  • the present invention relates to an industrial furnace having a heatable interior, a housing surrounding the interior, with an insulating layer at least partially lining the inside of the housing, and heat input means for introducing heat energy into the interior. Furthermore, the invention relates to a method for operating an industrial furnace, in particular for bridging downtime.
  • industrial furnaces are used for firing bricks and porcelain.
  • industrial furnaces are widely used for the treatment of metallic workpieces, for example in order to convert them into the forgettable state, for heating before quenching in a cold fluid (hardening) or for so-called tempering for a specific change in the microstructure of the metal.
  • Today known industrial furnaces have a wide temperature range, depending on the purpose and depending on the batch to be treated temperatures of a few hundred to about 1000 0 C driven.
  • gas burners are preferably used, which may have an efficiency of about 60% to more than 80%.
  • the insulation layer in systems according to the prior art is dimensioned so that during operation, the outside temperature reaches at most about 45 ° C to about 60 0 C.
  • the exiting through the housing wall heat flow is absorbed by the ambient air.
  • this cooling by the ambient air already causes about 2/3 of the total heat loss of the system.
  • the present invention is therefore based on the object, a generic industrial furnace in such a way and further, that an energy-efficient operation is realized.
  • a greatly improved insulation of the furnace is achieved by the additional insulating.
  • the convection space formed between the original housing wall and the insulating sleeve can be filled with air.
  • the convection chamber acts as an additional insulating layer and significantly reduces the heat flow exiting the housing wall.
  • the original housing wall may have a significantly higher outside temperature than if no insulating cover were present.
  • the housing wall can now, for example, a temperature of at most 16O 0 C (corresponding to the first tempering stage in steels, so that in low-carbon steels no change, the crystalline structure occurs) or even above, without the outer surface of the insulating sleeve according to the invention a Temperature above the targeted 6O 0 C assumes.
  • a heat reservoir is created by the convection space, which is used for a further energetic use. be fed.
  • the air of the convection space can serve in many ways to recover energy and thus to a significant improvement in the overall efficiency.
  • the furnace according to the invention can be configured as a rotary hearth, ring hearth or pusher furnace.
  • the preferred shape and thus also the design of the insulating cover provided according to the invention depends on the purpose, the batch size, the batch material and the temperature and the residence time of the batch in the oven.
  • the insulating layer of the industrial furnace may consist of a refractory lining and / or mineral wool. Again, the choice of the material of the insulating layer depends on the operating conditions of the furnace.
  • the heat input means comprise at least one gas burner, possibly with a jet pipe. With a plurality of gas burners distributed over the interior, a high heat input with compact heat input means can be realized.
  • the exhaust system in particular the exhaust pipes for the heat input means and / or exhaust manifolds, is guided substantially through the convection space.
  • the hot exhaust gases can be used to heat the inventively created convection space.
  • an insulation of the exhaust gas pipes can be omitted, since they are not laid on the outside of the furnace.
  • it can be dispensed with mixing of the exhaust gas stream with fresh air with the aim of cooling the gas stream.
  • the heat energy of the exhaust gas stream in the convection space according to the invention "captured" and can be recovered energetically in many ways.
  • an embodiment is particularly preferred in which the convection air can be fed to a device in which the heat energy is usable, and in particular is convertible into electrical energy.
  • This can be accomplished, for example, by providing at least one air channel which leads out of the convection chamber and by means of which the heated convection air can be fed to a further energy-producing treatment.
  • a circuit for the convection air can be provided.
  • the convection air can, for example, be used directly or indirectly as a heating medium, for example for space heating or as an energy supplier for a heating medium cycle.
  • electrical energy can also be obtained from the convection air. Since the convection air is at a comparatively low temperature level, the implementation of an ORC (Organic Rankine Cycle) process is particularly preferred. Suitable ORC systems are known to the person skilled in the art.
  • a preferred development of the industrial furnace additionally has a system for carrying out an ORC cycle in which the heat energy of the convection air and / or the heated charge can be used.
  • the waste heat in the furnace of heated workpieces or batches can also be used in a very general sense.
  • Metallic workpieces are heated in industrial ovens to then return the heat energy in the intended manner again. This is done in hardening shops by rapid cooling in an oil bath, in drop forging, for example, but by slow cooling (via radiation and convection) in a so-called. Cooling conveyor.
  • the heat emitted in this case could now be taken from the hardener bath or the cooling conveyor or any other means provided for receiving heat energy from workpieces and supplied to the ORC system.
  • Particularly interesting is the use of waste heat, if it is available at a high temperature level.
  • processes are known in which workpieces are quenched in Härterbad only 16O 0 C.
  • the waste heat of the oil bath used for this purpose can be fed directly to an ORC system.
  • Another industrial furnace within the scope of the invention is indicated by the features of claim 9. Thereafter, a generic industrial furnace is so designed and developed that a preheating and / or tempering furnace is provided in which the waste heat of the interior is available.
  • a preheating and / or tempering furnace is positioned directly or indirectly at the actual main furnace, wherein the waste heat from the interior of the industrial furnace can be transferred in a suitable manner to the preheating and / or tempering furnace.
  • heat transfer can take place in a variety of ways.
  • burner exhaust gases and / or gas from the interior can be passed directly into the preheating and / or tempering furnace according to the invention.
  • the aforementioned gas streams can also be used for indirect heating of the additional furnace.
  • Particularly advantageous is a combination of a preheating and / or tempering furnace and a convection space produced in accordance with the invention around the main or high-temperature furnace.
  • any workpieces can be preheated before being placed in the main furnace. If a higher temperature is reached in the additional furnace, it can even serve for tempering metallic workpieces. In both ways, an optimal use of the waste heat of the industrial furnace is realized without it being released useless into the environment.
  • the preheating and / or tempering furnace according to the invention can also be designed as a ring hearth or piercing furnace. If the main furnace is formed as a rotary hearth furnace or annular hearth furnace, proves to be designed as a ring hearth additional or Low temperature oven as particularly advantageous. However, if the main furnace is a pusher furnace, it is particularly advantageous to also design the preheating and / or tempering furnace as a pusher furnace, which can be operated countercurrently in an energetically particularly optimal manner.
  • the preheating and / or tempering furnace above the interior of the main furnace - if necessary, offset obliquely - arranged.
  • natural convection is utilized in the case of air or gas streams.
  • an escaping from the interior of the main furnace or heated by the main furnace gas flow inevitably rises, where he - as suggested here - automatically enter the preheating and / or tempering furnace or can heat this indirectly.
  • the preheating and / or tempering furnace is arranged obliquely offset with respect to the main furnace, the transition region between the main furnace and the additional furnace can be formed as a gap, as a result of which additionally a chimney effect occurs which promotes natural convection.
  • both furnaces are designed as ring or rotary hearth furnaces, each furnace can have a different radius, so that an annular, gap-like connecting region results between the two furnaces.
  • an embodiment is preferred in which the waste heat of the interior through heat-transfer contact between the interior and the preheating and / or tempering furnace and / or by the direct or heat-transferring exchange of air and / or gases between the interior and the preheating and / or tempering furnace is transferable.
  • the industrial furnace having a preheating and / or tempering furnace is further characterized by an insulating sleeve at least partially surrounding and spaced from the housing wall, wherein a convection space is formed between the housing wall and the insulating sleeve.
  • a particularly advantageous industrial furnace according to the invention can be formed by providing on the one hand an additional preheating and / or tempering furnace in which the waste heat of the interior space is used, and on the other hand at least partially surrounding the housing of the furnace Insulating is provided, whereby a convection space is formed around the interior of the main furnace.
  • the exhaust system in particular the exhaust gas lines and / or exhaust manifolds, are also guided substantially through the convection space.
  • the preheating and / or tempering furnace can be fed with exhaust gas from the heat input means and / or with gas diverted from the interior, in particular endogas, and / or with exhaust gas generated from the flaring off of endogas.
  • the furnace atmosphere usually consists of a protective and carrier gas, which is referred to as endogas. This means a gas mixture enriched with natural gas and / or propane, which is continuously fed into the interior. In order to ensure the circulation of the furnace atmosphere and / or to remove spent gas, this must be diverted back from the interior.
  • the branched off, hot gas can be used directly and / or after a thermal utilization in order to operate the preheating and / or tempering furnace according to the invention.
  • an embodiment is proposed, in which between the interior and the preheating and / or tempering furnace and / or between the convection and the preheating and / or tempering furnace and / or between the exhaust system and the Preheating and / or tempering furnace one or more air or gas ducts are provided, which optionally have a conveying means for the convection air, in particular a fan.
  • a conveying means for the convection air in particular a fan.
  • Both the convection air from the convection chamber as well as from the preheating and / or tempering gas escaping gas and / or one or more of the above gas streams can be supplied to a device in which the heat energy is usable, and in particular convertible into electrical energy.
  • a device in which the heat energy is usable, and in particular convertible into electrical energy.
  • Such a device preferably consists of an already mentioned ORC system.
  • the waste heat of the interior is usable not only in an additional furnace, but also for the production of electrical energy.
  • a system for carrying out an ORC cycle process can additionally be provided in connection with a preheating and / or tempering furnace.
  • the heat energy of air or gas streams from the interior and / or the convection and / or the exhaust system and / or the heated batch could be used.
  • a particularly variable mode of operation may be provided between the interior and the preheating and / or tempering furnace lock for the exchange of batches.
  • the lock can be designed so that it can be acted upon by a specific gas atmosphere, for example a nitrogen atmosphere.
  • the inventive method proposes to reload batches from the interior of the main furnace in a preheating and / or tempering furnace. Thereafter, the temperature of the main furnace can be shut down, the main furnace can possibly even be switched off completely. This mode of operation is particularly suitable if the stove is not used at the weekend. Possibly. Until the end of the shift not yet machined workpieces can be given in accordance with the invention in the preheating furnace and kept there in an energy-saving manner at a desired temperature. For this purpose, it is particularly preferred that a lock for the exchange of batches is provided between the interior of the main furnace and the preheating and / or tempering furnace.
  • the inventive method proves to be particularly advantageous in connection with the use of an industrial furnace as a carburizing furnace.
  • an industrial furnace as a carburizing furnace.
  • the steel to be carburized is brought into contact with a carbon-containing atmosphere in the industrial furnace.
  • a preferred operating temperature for the carburizing process is about 920 ° C.
  • Hardening-operated carburizing furnaces are typically run empty for the weekend and exposed to a nitrogen atmosphere. A considerable production time is lost.
  • the carbon present in the workpiece can further diffuse into the workpiece, whereby a low-carbon layer undesirably forms on the surface of the workpiece.
  • a sudden drop in temperature in the carburizing to interrupt the diffusion process would be desirable, but fails due to the large heat capacity of the furnace.
  • the carburizing furnace main furnace
  • the grates are transferred with the workpieces from the main furnace in the auxiliary furnace.
  • the temperature of the additional furnace can be about 400 0 C, while - as already mentioned - the temperature of the carburizing furnace can be about 920 0 C. This ensures that the surface layer of the workpieces is abruptly cooled within about one minute, which freezes the diffusion process.
  • the additional furnace can be acted upon in the meantime with a nitrogen atmosphere.
  • a lock is provided between the main and the additional furnace, which may be beautschbar with a nitrogen atmosphere.
  • the main furnace As soon as the main furnace is discharged, it can - as usual - be exposed to a nitrogen atmosphere during standstill operation. The temperature can now be shut down for energy saving reasons. If the main furnace has colder and warmer zones, grates may remain in the colder zone while the grates have been transferred from the hot zone to the hot zone of the additional furnace.
  • the hot zone of the additional furnace up to the limit of the diffusion temperature, for example. Up to 860 0 C, increased. These can be provided in the additional furnace gas burner. Parallel to the main oven can already on the operating temperature, for example. Be brought about 920 0 C.
  • the main furnace can be charged again with the usual for carburizing rich hydrocarbon atmosphere. Thereafter, the intermediately stored in the additional furnace workpieces from the interrupted carburizing process can be reloaded into the main furnace. The edge layer of the workpieces is heated up to the optimum diffusion temperature within a very short time.
  • the aforementioned method proves to be advantageous not only in the scheduled night and / or weekend operation, but also in other planned or unforeseen production interruptions, for example. In case of defects or maintenance of the industrial furnace.
  • Figure 1 is a side sectional view of an annular furnace designed as an industrial furnace according to the invention with a convection space and arranged at the upper outer edge preheating and / or tempering furnace, and
  • Fig. 2 is a sectional view of the industrial furnace according to FIG.
  • Fig. 1 shows a side sectional view of a preferred embodiment of an industrial furnace according to the invention.
  • the industrial furnace is designed as a ring hearth furnace. Accordingly, the furnace has an inner space 1, which has an annular base.
  • the interior 1 is surrounded by the wall of a housing 2.
  • the housing 2 is lined on the inside with an insulating layer 3. This consists of a refractory lining and / or mineral wool.
  • the furnace has a plurality of heat input means 4, which are configured in the form of gas burners 5, which each have a jet pipe 6.
  • the industrial furnace has a spaced from the wall of the housing 2 insulating sleeve 7, which may be made of sheet steel.
  • a convection space 8 is formed between the housing wall and the insulating sleeve 7, which can be flowed through by air or other gases, in particular in the ascending direction.
  • the air flowing through the convection chamber 8 absorbs the waste heat of the interior 1, which can then be used in an energetically meaningful way.
  • the insulation of the industrial furnace is considerably improved by the formation of the convection space 8, so that the wall of the housing 2 can have a significantly higher temperature than an embodiment without an insulating jacket 7.
  • the heat energy of the exhaust gas of the gas burner 5 is used, since this energy can be initially held in the convection 8.
  • another annular hearth furnace is constructed on the actual industrial furnace (main or high-temperature furnace), namely a preheating and / or tempering furnace 10 (additional or low-temperature furnace).
  • the preheating furnace 10 in this case has a base area, which is designed concentrically in comparison to the main furnace, but with a larger radius.
  • the usable space of the preheating furnace 10 is spaced from the interior 1 both upwardly and outwardly.
  • the air entering the convection chamber 8 of the main furnace can heat and pass through the gap-like passage between the convection chamber 8 and the work space of the preheating furnace 10 through the formation of a chimney effect in the preheating furnace 10.
  • the opening between Konvetechnischsraum 8 and the useful space of the preheating furnace 10 may be formed as a circumferential gap. However, it can also be distributed over the circumference several air or gas channels are provided.
  • the advantages obtained by the convection space 8 can be optimized in a particularly effective manner.
  • the invention is not limited to a combination of these two measures, because the sole application of one of the measures already provides advantages of the invention.
  • Used gas from the working space of the preheating furnace 10 can then be fed to an ORC plant for power generation. This is of course also possible with endogas from the interior 1 and / or with exhaust gases of the gas burner 5 and makes sense.
  • a rotary ring 11 is in each case arranged, on which a plurality of gratings 12 arranged one above the other are placed. On the grates 12, each batch to be heated 13 is arranged.
  • Fig. 2 shows a top sectional view of the embodiment shown in Fig. 1 of the industrial furnace according to the invention according to the local section A-A. Accordingly, only the main or high-temperature furnace is shown in this illustration, but not the preheating furnace according to the invention.
  • This figure first illustrates the construction of the industrial furnace as a ring hearth. Accordingly, the interior 1 circumscribes an annular base area. At the outer and the inner edge of the inner space 1, a plurality of gas burners 5 are arranged in pairs. Inwardly and outwardly, the interior 1 is bounded in each case by an insulating layer 3, which lines the inside of the housing 2.
  • a further insulating sleeve 7 is now provided both on the inside and on the outside, whereby in each case a convection space 8 in the form of a cylinder jacket is formed.
  • the internals of the industrial furnace (not shown), which receive the batches to be heated (not shown), rotate during operation. Furthermore, the gas burners 5 are seen over the entire interior 1 unevenly distributed, so that - depending on the load - in the interior also results in a non-uniform temperature distribution. Therefore, it is provided to direct the air from the convection chamber 8 of the main furnace from hot zones in otherwise colder zones of the preheating furnace, so that a kind of countercurrent effect with each maximum temperature difference in the heat transfer is adjustable.
  • the illustrated ring hearth furnace is loaded and unloaded at 6 o'clock. Therefore, a clockwise turning ring results in a colder zone between 6 and 12 o'clock, whereas between 12 and 6 o'clock the heat in the interior 1 is stronger. Accordingly, the convection air is collected from the hot zone at 3 o'clock and directed by means of a targeted gas flow guide 14 between 6 and 12 o'clock in the overlying preheating oven, which is shown schematically here.
  • the manifolds for the Gas flow guide 14 run in the convection space 8, so that no heat loss occurs.

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Abstract

Ein Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), ist im Hinblick auf die Realisierung einer energieeffizienten Betriebsweise gekennzeichnet durch eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (2) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist; und/oder ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums (1) nutzbar ist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens angegeben.

Description

Λ
INDUSTRIEOFEN SOWIE VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES
INDUSTRIEOFENS
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum, einem den Innenraum umgebenden Gehäuse, mit einer die Innenseite des Gehäuses zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht, und mit Wärmeeintragmitteln zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens, insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten.
Vorrichtungen der genannten Art sind in vielfältigen Ausführungsformen aus dem industriellen Einsatz bekannt. So werden Industrieöfen bspw. zum Brennen von Ziegeln und Porzellan verwendet. Des Weiteren dienen solche Industrieöfen verbreitet zur Behandlung von metallischen Werkstücken, bspw. um diese in den schmiedfähigen Zustand zu überführen, zum Erhitzen vor dem Abschrecken in einem kalten Fluid (Härten) oder zum sog. Anlassen zur gezielten Veränderung der Gefügestruktur des Metalls.
Heute bekannte Industrieöfen weisen ein breites Temperaturspektrum auf, so werden je nach Einsatzzweck und abhängig von der zu behandelnden Charge Temperaturen von wenigen hundert bis über 10000C gefahren. Zur Beheizung solcher Öfen werden bevorzugt Gasbrenner verwendet, die einen Wirkungsgrad von ca. 60% bis über 80% aufweisen können.
Obwohl moderne Industrieöfen im Allgemeinen eine hochwirksame Isolierschicht auf der Innenseite des Gehäuses aufweisen, lässt sich nicht verhindern, dass sich die Außenseite des Gehäuses während des Betriebs stark erhitzt. Im Allgemeinen ist es jedoch während des Betriebs im Hinblick auf die Arbeitsbedingungen und die Arbeitssicherheit für das Bedienpersonal notwendig, die Außentemperatur des Ofens auf höchstens ca. 600C zu begrenzen. Deswegen ist die Isolierschicht bei Anlagen gemäß Stand der Technik so dimensioniert, dass während des Betriebs die Außentemperatur höchstens ca. 45°C bis ca. 600C erreicht. Der durch die Gehäusewand austretende Wärmestrom wird dabei von der Umgebungsluft aufgenommen. Diese Kühlung durch die Umgebungsluft bewirkt jedoch bereits ungefähr 2/3 des gesamten Wärmeverlusts der Anlage. Des Weiteren wird bei Anlagen gemäß Stand der Technik das Abgas der Wärmeeintragmittel (Gasbrenner) rasch mit großen Mengen Frischluft vermischt, um die Temperatur des Abgasstroms herabzusetzen. Dadurch kann eine günstigere Verrohrung eingesetzt werden, und der Wärmeeintrag in das Gebäude wird ebenfalls vermindert. Andererseits werden die Wärmeverluste der Gesamtanlage erneut in nachteiliger Weise vergrößert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Industrieofen so auszugestalten und weiterzubilden, dass eine energieeffiziente Betriebsweise realisiert ist.
Diese Aufgabe ist zunächst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein eingangs genannter Industrieofen so ausgestaltet und weitergebildet, dass eine das Gehäuse zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beanstandete Isolierhülle vorgesehen ist, wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle ein Konvektionsraum gebildet ist.
In erfindungsgemäßer Weise wird durch die zusätzliche Isolierhülle eine stark verbesserte Isolierung des Ofens erreicht. Der zwischen der ursprünglichen Gehäusewand und der Isolierhülle gebildete Konvektionsraum kann dabei mit Luft gefüllt sein. Der Konvektionsraum wirkt als zusätzliche Isolierschicht und verringert den aus der Gehäusewand austretenden Wärmestrom deutlich.
In erfindungsgemäßer Weise kann die ursprüngliche Gehäusewand eine deutlich höhere Außentemperatur aufweisen, als wenn keine Isolierhülle vorhanden wäre. So kann die Gehäusewand nun bspw. eine Temperatur von maximal 16O0C (entsprechend der ersten Anlassstufe bei Stählen, so dass bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt keine Veränderung, der kristallinen Struktur auftritt) oder auch darüber aufweisen, ohne dass die Außenfläche der erfindungsgemäßen Isolierhülle eine Temperatur oberhalb der anvisierten 6O0C annimmt.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass durch den Konvektionsraum ein Wärmereservoir geschaffen ist, das einer weiteren energetischen Verwen- dung zuführbar ist. Die Luft des Konvektionsraums kann in vielfältiger Weise zur Rückgewinnung von Energie und damit zu einer deutlichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades dienen.
Der erfindungsgemäße Ofen kann als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet sein. Die bevorzugte Formgebung und damit auch die Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen Isolierhülle richtet sich dabei nach dem Einsatzzweck, der Chargengröße, dem Chargenmaterial sowie der Temperatur und der Verweildauer der Charge im Ofen.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, bereits aufgebaute, ältere Industrieöfen umzurüsten und mit einer Isolierhülle zu versehen. So können bereits bestehende Anlagen in energetischer Hinsicht optimiert werden.
Die Isolierschicht des Industrieofens kann aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle bestehen. Auch hier richtet sich die Wahl des Materials der Isolierschicht nach den Betriebsbedingungen des Ofens.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Wärmeeintragmittel zumindest einen Gasbrenner, ggf. mit einem Strahlrohr auf. Mit mehreren, über den Innenraum verteilten Gasbrennern kann ein hoher Wärmeeintrag mit kompakten Wärmeeintragmitteln realisiert werden.
Im Hinblick auf eine weiter verbesserte Nutzbarkeit von Abwärme aus dem Innenraum ist eine Weiterbildung bevorzugt, bei der das Abgassystem, insbesondere die Abgasleitungen für die Wärmeeintragmittel und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen durch den Konvektionsraum geführt ist. Somit können die heißen Abgase genutzt werden, um den erfindungsgemäß geschaffenen Konvektionsraum zu beheizen. Als Nebeneffekt kann eine Isolierung der abgasführenden Rohre unterbleiben, da diese nicht auf der Außenseite des Ofens verlegt sind. Darüber hinaus kann auf eine Vermischung des Abgasstroms mit Frischluft mit dem Ziel der Abkühlung des Gasstroms verzichtet werden. So wird die Wärmeenergie des Abgasstroms im erfindungsgemäßen Konvektionsraum „eingefangen" und kann auf vielfältige Weise energetisch zurückgewonnen werden. - A -
Hierzu ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der die Konvektionsluft einer Vorrichtung zuführbar ist, in welcher die Wärmeenergie nutzbar ist, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist. Dies kann bspw. dadurch bewerkstelligt werden, dass zumindest ein Luftkanal vorgesehen ist, der aus dem Konvek- tionsraum führt und mittels dessen die erhitzte Konvektionsluft einer energiegewinnenden Weiterbehandlung zuführbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Kreislauf für die Konvektionsluft vorgesehen sein. Die Konvektionsluft kann bspw. direkt oder indirekt als Heizmedium verwendet werden, bspw. zur Raumbeheizung oder als Energielieferant für einen Heizmittelkreislauf. In besonders bevorzugter Weise kann aus der Konvektionsluft auch elektrische Energie gewonnen werden. Da sich die Konvektionsluft auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau befindet, ist dabei die Durchführung eines ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozesses besonders bevorzugt. Geeignete ORC-Anlagen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Industrieofens weist zusätzlich eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses auf, in welcher die Wärmeenergie der Konvektionsluft und/oder der erhitzten Charge nutzbar ist. Demnach lässt sich neben der bereits erwähnten Konvektionsluft auch in ganz allgemeiner Hinsicht die Abwärme im Ofen erhitzter Werkstücke bzw. Chargen nutzen. Bspw. werden metallische Werkstücke in Industrieöfen erhitzt, um danach die Wärmeenergie in vorgesehener Weise wieder abzugeben. Dies geschieht in Härtereien durch eine schnelle Abkühlung im Ölbad, in Gesenkschmieden bspw. jedoch durch langsames Abkühlen (über Strahlung und Konvektion) in einem sog. Kühlförderer. Die dabei abgegebene Wärme könnte nun dem Härterbad bzw. dem Kühlförderer oder jeder sonstigen zur Aufnahme von Wärmeenergie aus Werkstücken vorgesehenen Einrichtung entnommen und der ORC-Anlage zugeführt werden. Besonders interessant ist die Nutzung von Abwärme, falls sie auf einem hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht. So sind Verfahren bekannt, bei denen Werkstücke im Härterbad lediglich auf 16O0C abgeschreckt werden. Die Abwärme des hierfür benutzten Ölbades kann direkt einer ORC-Anlage zugeführt werden.
Ein weiterer Industrieofen im Rahmen der Erfindung ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 angegeben. Danach ist ein gattungsgemäßer Industrieofen so aus- gestaltet und weitergebildet, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums nutzbar ist.
In erfindungsgemäßer Weise ist mittelbar oder unmittelbar am eigentlichen Hauptofen ein Vorwärm- und/oder Anlassofen positioniert, wobei die Abwärme des Innenraums des Industrieofens in geeigneter Weise in den Vorwärm- und/oder Anlassofen übertragbar ist. Dabei kann eine Wärmeübertragung auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Bspw. können Brennerabgase und/oder Gas aus dem Innenraum direkt in den erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen geleitet werden. Des Weiteren lassen sich die vorgenannten Gasströme auch zu einer indirekten Beheizung des zusätzlichen Ofens verwenden. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination eines Vorwärm- und/oder Anlassofens und einem in erfindungsgemäßer Weise hergestellten Konvektionsraum um den Haupt- bzw. Hochtemperaturofen.
In dem vorgeschlagenen Vorwärm- und/oder Anlassofen lassen sich beliebige Werkstücke vorheizen, bevor sie in den Hauptofen gegeben werden. Wird im zusätzlichen Ofen eine höhere Temperatur erreicht, kann dieser sogar zum Anlassen metallischer Werkstücke dienen. Bei beiden Möglichkeiten ist eine optimale Nutzung der Abwärme des Industrieofens realisiert, ohne dass diese nutzlos in die Umgebung abgegeben wird.
Im Hinblick auf vorteilhafte Ausführungsformen des letztgenannten erfindungsgemäßen Industrieofens wird zunächst ausdrücklich Bezug genommen auf die bereits eingangs genannten Weiterbildungen. Dementsprechend erweisen sich auch im Hinblick auf einen erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen Weiterbildungen als besonders vorteilhaft, bei denen der Haupt- oder Hochtemperaturofen als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist und/oder eine Isolierschicht aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle und/oder ein Wärmeeintragmittel aus zumindest einem Gasbrenner, ggf. mit einem Strahlrohr, aufweist.
Auch der erfindungsgemäße Vorwärm- und/oder Anlassofen kann als Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet sein. Ist der Hauptofen als Drehherdofen oder Ringherdofen ausgeformt, erweist sich ein als Ringherd ausgestalteter Zusatz- oder Niedertemperaturofen als besonders vorteilhaft. Ist der Hauptofen jedoch ein Durchstoßofen, ist es besonders vorteilhaft, den Vorwärm- und/oder Anlassofen ebenfalls als Durchstoßofen zu gestalten, wobei dieser in energetisch besonders optimaler Weise im Gegenstrom betreibbar sein kann.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist der Vorwärm- und/oder Anlassofen oberhalb des Innenraums des Hauptofens - ggf. schräg versetzt - angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird die natürliche Kon- vektion bei Luft- bzw. Gasströmen ausgenutzt. So steigt ein aus dem Innenraum des Hauptofens austretender bzw. ein vom Hauptofen erhitzter Gasstrom unweigerlich nach oben, wo er - wie hier vorgeschlagen - automatisch in den Vorwärm- und/oder Anlassofen eintreten oder diesen mittelbar erhitzen kann. Ist der Vorwärm- und/oder Anlassofen darüber hinaus gegenüber dem Hauptofen schräg versetzt angeordnet, kann der Übergangsbereich zwischen Haupt- und Zusatzofen als Spalt ausgebildet sein, wodurch zusätzlich ein Kamineffekt eintritt, der die natürliche Konvektion unterstützt. Sind beide Öfen als Ring- oder Drehherdofen ausgestaltet, kann jeder Ofen einen unterschiedlichen Radius aufweisen, so dass sich ein kreisringförmiger, spaltartiger Verbindungsbereich zwischen den beiden Öfen ergibt.
Wie bereits angedeutet, ist im Hinblick auf eine effektive Nutzung der Abwärme des Hauptofens eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Abwärme des Innenraums durch wärmeübertragenen Kontakt zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder durch den unmittelbaren oder wärmeübertragenden Austausch von Luft und/oder Gasen zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen übertragbar ist.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der einen Vorwärm- und/oder Anlassofen aufweisende Industrieofen des Weiteren gekennzeichnet durch eine das Gehäuse zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle, wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle ein Konvektions- raum gebildet ist. Mit anderen Worten ist ein besonders vorteilhafter erfindungsgemäßer Industrieofen dadurch bildbar, dass einerseits ein zusätzlicher Vorwärm- und/oder Anlassofen vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums genutzt wird, und andererseits eine das Gehäuse des Ofens zumindest teilweise umgebende Isolierhülle vorgesehen ist, wodurch um den Innenraum des Hauptofens ein Konvektionsraum gebildet ist. Obwohl eine Kombination dieser beiden erfindungsgemäßen Aspekte besonders bevorzugt ist, ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Kombination beschränkt, vielmehr liegt jede der genannten Merkmalsgruppen für sich gesehen im Rahmen der Erfindung und kann auch alleine realisiert werden. In Bezug auf die erfindungsgemäße Isolierhülle ist zur Vermeidung von Wiederholungen auf die bereits genannten erfindungsgemäßen Vorteile und Ausgestaltungen zu verweisen, auf die hinsichtlich dieser Ausführungsform uneingeschränkt Bezug genommen wird.
So ist insbesondere bevorzugt, dass das Abgassystem, insbesondere die Abgas- leitungen und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen auch durch den Konvektionsraum geführt werden.
Als besonders effektiv erweist sich dabei eine Ausführungsform, bei der der Vorwärm- und/oder Anlassofen mit Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum speisbar ist. Damit sind sowohl eine optimale Isolierung des Industrieofens als auch eine effektive Nutzung der Abwärme des Innenraums miteinander kombiniert.
Alternativ oder zusätzlich kann der Vorwärm- und/oder Anlassofen mit Abgas der Wärmeeintragmittel und/oder mit aus dem Innenraum abgezweigtem Gas, insbesondere Endogas, und/oder mit aus der Abfackelung von Endogas erzeugtem Abgas speisbar sein. Die Ofenatmosphäre besteht in der Regel aus einem Schutz- und Trägergas, das als Endogas bezeichnet wird. Damit ist ein mit Erdgas und/oder Propan angereichertes Gasgemisch gemeint, das fortlaufend in den Innenraum eingespeist wird. Um die Zirkulation der Ofenatmosphäre zu gewährleisten und/oder verbrauchtes Endogas zu entfernen, muss dieses wieder aus dem Innenraum abgezweigt werden. Das abgezweigte, heiße Gas kann direkt und/oder nach einer thermischen Verwertung genutzt werden, um den erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen zu betreiben. Dementsprechend ist auch das Abgas der Wärmeeintragmittel direkt (Rauchgasstrom wird durch den Zusatzofen geführt) oder indirekt (Wärmeübertragung) im Vorwärm- und/oder Anlassofen nutzbar. Im Hinblick auf eine besonders effektive Nutzung der vorgenannten Gasströme wird eine Ausführungsform vorgeschlagen, bei der zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder zwischen dem Konvektionsraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder zwischen dem Abgassystem und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen ein oder mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen sind, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen. Durch den Einsatz eines Ventilators bzw. eines Gebläses kann der entsprechende Gasstrom dabei weiter verstärkt bzw. genau geregelt werden.
Im Hinblick auf einen besonders gleichmäßigen Betrieb und eine exakte und unempfindliche Temperaturregelung wird eine Weiterbildung bevorzugt, bei der Luftbzw. Gasströme aus dem Innenraum und/oder dem Konvektionsraum und/oder dem Abgassystem vor der Zuführung in den Vorwärm- und/oder Anlassofen mischbar sind und/oder Wärme zwischen den Luft- bzw. Gasströmen übertragbar ist.
Sowohl die Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum als auch aus dem Vorwärm- und/oder Anlassofen austretendes Gas und/oder ein oder mehrere der oben genannten Gasströme können einer Vorrichtung zugeführt werden, in welcher die Wärmeenergie nutzbar, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist. Solch eine Vorrichtung besteht in bevorzugter Weise aus einer bereits genannten ORC- Anlage. Damit ist die Abwärme des Innenraums nicht nur in einem Zusatzofen, sondern darüber hinaus auch noch zur Gewinnung elektrischer Energie verwendbar.
Im Hinblick auf einen besonders energieeffizienten Betrieb kann auch in Verbindung mit einem Vorwärm- und/oder Anlassofen zusätzlich eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen sein. In dieser Anlage könnte die Wärmeenergie von Luft- bzw. Gasströmen aus dem Innenraum und/oder dem Konvektionsraum und/oder dem Abgassystem und/oder der erhitzten Charge nutzbar sein. Dazu kann auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich einer optionalen ORC-Anlage verwiesen werden.
Im Hinblick auf eine besonders variable Betriebsweise kann zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen eine Schleuse zum Austausch von Chargen vorgesehen sein. Damit lassen sich vorgewärmte Werkstücke besonders einfach, schnell und ohne übermäßigen Verlust von Wärmeenergie vom Vorwärmofen in den Innenraum des Hauptofens einbringen. Des Weiteren wird vermieden, dass Werkstücke während des Übertritts dem Luftsauerstoff ausgesetzt sind. Optional kann die Schleuse so ausgestaltet werden, dass sie mit einer bestimmten Gasatmosphäre beaufschlagbar ist, bspw. einer Stickstoffatmosphäre.
Im Hinblick auf ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens ist die oben aufgezeigte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst. Danach wird ein insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens vorgeschlagen, wobei Chargen aus dem Innenraum in den Vorwärm- und/oder Anlassofen umgeladen werden.
Wird ein Industrieofen nicht im 24-Stunden- und Wochenendbetrieb genutzt, kann es je nach Chargenart und Betriebszweck trotzdem notwendig sein, den Ofen rund um die Uhr auf oder nahe bei der Betriebstemperatur zu halten. Dadurch tritt jedoch ein hoher Energiebedarf und hohe Wärmeverluste ein. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, Chargen aus dem Innenraum des Hauptofens in einen Vorwärm- und/oder Anlassofen umzuladen. Danach kann die Temperatur des Hauptofens heruntergefahren werden, der Hauptofen kann ggf. sogar ganz abgeschaltet werden. Diese Betriebsweise bietet sich insbesondere an, falls der Ofen am Wochenende nicht genutzt wird. Ggf. bis zum Schichtende noch nicht bearbeitete Werkstücke können so in erfindungsgemäßer Weise in den Vorwärmofen gegeben und in energiesparender Weise dort auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Dazu ist insbesondere bevorzugt, dass zwischen dem Innenraum des Hauptofens und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen eine Schleuse zum Austausch von Chargen vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung eines Industrieofens als Aufkohlungsofen. Beim Aufkohlen oder Einsetzen werden Stahlsorten, die wegen eines zu geringen Kohlenstoffgehalts nicht härtbar sind, soweit mit Kohlenstoff angereichert, dass ein Härten ermöglicht ist. Dazu wird der aufzukohlende Stahl im Industrieofen mit einer kohlen- wasserstoffhaltigen Atmosphäre in Berührung gebracht. Eine bevorzugte Betriebstemperatur für den Aufkohlungsprozess beträgt ca. 9200C. In Härtereien betriebene Aufkohlungsöfen werden typischerweise zum Wochenende leer gefahren und mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt. Dabei geht eine erhebliche Produktionszeit verloren. Sind im Aufkohlungsöfen während der Absenkung der Ofentemperatur noch Werkstücke enthalten, kann der im Werkstück vorhandene Kohlenstoff weiter in das Werkstück hineindiffundieren, wobei in unerwünschter Weise an der Oberfläche des Werkstücks eine kohlenstoffarme Schicht entsteht. Eine schlagartige Temperaturabsenkung im Aufkohlungsöfen zur Unterbrechung des Diffusionsvorgangs wäre zwar wünschenswert, scheitert jedoch an der großen Wärmekapazität des Ofens.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist diese Problematik jedoch überwunden. Soll der Aufkohlungsöfen (Hauptofen) in den Stillstandbetrieb übergehen, werden die Roste mit den Werkstücken aus dem Hauptofen in den Zusatzofen umgeladen. Die Temperatur des Zusatzofens kann dabei ca. 4000C betragen, während - wie bereits erwähnt - die Temperatur des Aufkohlungsofens ca. 9200C betragen kann. So wird erreicht, dass die Randschicht der Werkstücke innerhalb ca. einer Minute schlagartig abgekühlt wird, wodurch der Diffusionsprozess eingefroren wird. Optional kann der Zusatzofen währenddessen mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt werden. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine effiziente Betriebsweise möglich, die Werkstücke aus dem Hauptofen gezielt lediglich in die heiße Zone des Zusatzofens einzubringen.
In bevorzugter Weise ist zwischen dem Haupt- und dem Zusatzofen eine Schleuse vorgesehen, die ggf. mit einer Stickstoffatmosphäre beauschlagbar ist.
Sobald der Hauptofen entladen ist, kann er - wie üblich - während des Stillstandbetriebs mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt werden. Die Temperatur kann nun aus Energiespargründen heruntergefahren werden. Sofern der Hauptofen über kältere und wärmere Zonen verfügt, können Roste in der kälteren Zone verbleiben, während die Roste aus der heißen Zone in die heiße Zone des Zusatzofens umgeladen worden sind.
Soll die Produktion wieder aufgenommen werden, wird die heiße Zone des Zusatzofens bis an die Grenze der Diffusionstemperatur, bspw. bis 8600C, hochgefahren. Dazu können im Zusatzofen Gasbrenner vorgesehen sein. Parallel kann der Hauptofen bereits auf die Betriebstemperatur, bspw. ca. 9200C, gebracht werden.
Sobald sich der Hauptofen auf der gewünschten Betriebstemperatur befindet und der Zusatzofen eine Temperatur von über ca. 8000C aufweist, kann der Hauptofen wieder mit der für die Aufkohlung üblichen kohlenwasserstoffreichen Atmosphäre beaufschlagt werden. Danach können die im Zusatzofen zwischengelagerten Werkstücke aus dem unterbrochenen Aufkohlungsprozess wieder in den Hauptofen umgeladen werden. Dabei wird die Randschicht der Werkstücke innerhalb kürzester Zeit wieder auf die optimale Diffusionstemperatur erhitzt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden unerwünschte und nicht steuerbare Diffusionsvorgänge in den Werkstücken, insbesondere während einer Betriebsunterbrechung des Hauptofens, wirksam unterbunden. Durch die Zwischenlagerung im Zusatzofen wird eine große Mengen an Primärenergie eingespart. Die Werkstücke werden innerhalb kürzester Zeit ausgehend von der Diffusionstemperatur abgekühlt und umgekehrt wieder auf Diffusionstemperatur erhitzt. Dadurch kann eine Betriebsunterbrechung ohne einhergehende Verschlechterung der Produktqualität überbrückt werden.
Das vorgenannte Verfahren erweist sich nicht nur im planmäßigen Nacht- und/oder Wochenendbetrieb als vorteilhaft, sondern auch bei sonstigen vorgesehenen oder unvorhergesehenen Produktionsunterbrechungen, bspw. bei Defekten oder bei Wartungsarbeiten am Industrieofen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in einer seitlichen Schnittansicht einen als Ringherdofen ausgestalteten erfindungsgemäßen Industrieofen mit einem Konvektionsraum und einem am oberen Außenrand angeordneten Vorwärm- und/oder Anlassofen, und
Fig. 2 eine von oben gesehene Schnittdarstellung des Industrieofens gemäß
Schnitt A-A aus Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Industrieofens. Der Industrieofen ist dabei als Ringherdofen ausgestaltet. Demnach weist der Ofen einen Innenraum 1 auf, der eine kreisringförmige Grundfläche besitzt. Der Innenraum 1 ist umgeben von der Wand eines Gehäuses 2. Dabei ist das Gehäuse 2 auf der Innenseite mit einer Isolierschicht 3 ausgekleidet. Diese besteht aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder Mineralwolle. Zur Dissipation von Wärmeenergie in den Innenraum 1 verfügt der Ofen über eine Mehrzahl von Wärmeeintragmitteln 4, die in Form von Gasbrennern 5 ausgestaltet sind, welche jeweils ein Strahlrohr 6 aufweisen.
In erfindungsgemäßer Weise verfügt der Industrieofen über eine von der Wand des Gehäuses 2 beabstandete Isolierhülle 7, welche aus Stahlblech hergestellt sein kann. Dadurch bildet sich zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle 7 ein Konvektionsraum 8, der - insbesondere in aufsteigender Richtung - von Luft oder anderen Gasen durchströmbar ist. Die durch den Konvektionsraum 8 strömende Luft nimmt die Abwärme des Innenraums 1 auf, welche daraufhin in energetisch sinnvoller Weise weiter genutzt werden kann. Des Weiteren wird durch die Ausbildung des Konvektionsraums 8 die Isolation des Industrieofens erheblich verbessert, so dass die Wand des Gehäuses 2 im Vergleich zu einer Ausgestaltung ohne Isolierhülle 7 eine deutlich höhere Temperatur aufweisen kann.
Ebenfalls im Konvektionsraum 8 befinden sich die Abgasleitungen 9, die das Rauchgas der Gasbrenner 5 sammeln und abführen. Dadurch wird auch die Wärmeenergie des Abgases der Gasbrenner 5 nutzbar, da diese Energie zunächst im Konvektionsraum 8 gehalten werden kann. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist auf dem eigentlichen Industrieofen (Hauptoder Hochtemperaturofen) ein weiterer Ringherdofen aufgebaut, nämlich ein Vorwärm- und/oder Anlassofen 10 (Zusatz- oder Niedertemperaturofen). Der Vorwärmofen 10 weist dabei eine Grundfläche auf, die im Vergleich zum Hauptofen konzentrisch, jedoch mit größerem Radius ausgelegt ist. Darüber hinaus ist der Nutzraum des Vorwärmofens 10 von Innenraum 1 sowohl nach oben als auch nach außen beabstandet. Durch den Versatz des Vorwärmofens 10 in vertikaler Richtung wird besonders effektiv dem Phänomen der natürlichen Konvektion Rechnung getragen. Dabei kann sich in den Konvektionsraum 8 des Hauptofens eintretende Luft erhitzen und durch den spaltartigen Durchlass zwischen Konvektionsraum 8 und dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 durch die Ausbildung eines Kamineffekts in den Vorwärmofen 10 übertreten. Die Öffnung zwischen Konvektionsraum 8 und dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 kann als umlaufender Spalt ausgebildet sein. Es können jedoch auch über den Umfang verteilt mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen 10 sind die durch den Konvektionsraum 8 erhaltenen Vorteile in besonders effektiver Weise optimierbar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Kombination dieser beiden Maßnahmen beschränkt, denn die alleinige Anwendung einer der Maßnahmen liefert bereits erfindungsgemäße Vorteile.
Es ist des Weiteren möglich, neben der Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum 8, welche neben der Abwärme des Innenraums 1 auch die Energie aus den Abgas- leitungen 9 aufnimmt, auch die Brennerabgase und/oder Endogas aus dem Innenraum 1 direkt oder indirekt (in wärmeübertragendem Kontakt) dem Vorwärmofen 10 zuzuführen, und so den Wärmeeintrag in den Vorwärmofen 10 erheblich zu steigern.
Verbrauchtes Gas aus dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 kann danach noch einer ORC-Anlage zur Stromgewinnung zugeführt werden. Dies ist selbstverständlich auch mit Endogas aus dem Innenraum 1 und/oder mit Abgasen der Gasbrenner 5 möglich und sinnvoll. Sowohl im Hauptofen als auch im Vorwärmofen 10 ist jeweils ein Drehring 11 angeordnet, auf dem mehrere übereinander angeordnete Roste 12 platziert sind. Auf den Rosten 12 ist die jeweils zu erhitzende Charge 13 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine von oben gesehene Schnittdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Industrieofens gemäß dem dortigen Schnitt A-A. Demnach ist in dieser Darstellung lediglich der Haupt- oder Hochtemperaturofen dargestellt, nicht jedoch der erfindungsgemäße Vorwärmofen. Diese Figur verdeutlicht zunächst den Aufbau des Industrieofens als Ringherd. Demgemäß umschreibt der Innenraum 1 eine kreisringförmige Grundfläche. An dem äußeren sowie dem inneren Rand des Innenraums 1 sind eine Vielzahl von Gasbrennern 5 jeweils paarweise angeordnet. Nach innen und außen wird der Innenraum 1 jeweils durch eine Isolierschicht 3 begrenzt, die die Innenseite des Gehäuses 2 auskleidet.
In erfindungsgemäßer Weise ist nun sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite eine weitere Isolierhülle 7 vorgesehen, wodurch jeweils ein Konvektionsraum 8 in Form eines Zylindermantels gebildet wird.
Die Einbauten des Industrieofens (nicht dargestellt), welche die zu erhitzenden Chargen (nicht dargestellt) aufnehmen, drehen sich während des Betriebs. Des Weiteren sind die Gasbrenner 5 über den gesamten Innenraum 1 gesehen ungleichmäßig verteilt, so dass sich - je nach Beladung - im Innenraum ebenfalls eine ungleichmäßige Temperaturverteilung ergibt. Daher ist vorgesehen, die Luft aus dem Konvektionsraum 8 des Hauptofens aus heißen Zonen in ansonsten kältere Zonen des Vorwärmofens zu leiten, so dass eine Art Gegenstromeffekt mit jeweils maximalem Temperaturunterschied bei der Wärmeübertragung einstellbar ist.
Der dargestellte Ringherdofen wird bei 6 Uhr be- und entladen. Bei rechtsdrehendem Ring ergibt sich daher zwischen 6 und 12 Uhr eine kältere Zone, während zwischen 12 und 6 Uhr die Hitze im Innenraum 1 stärker ist. Dementsprechend wird die Konvektionsluft aus der heißen Zone bei 3 Uhr gesammelt und mittels einer gezielten Gasstromführung 14 zwischen 6 und 12 Uhr in den darüberliegenden Vorwärmofen geleitet, was hier schematisch dargestellt ist. Die Sammelleitungen für die Gasstromführung 14 verlaufen dabei im Konvektionsraum 8, so dass kein Wärmeverlust eintritt.
Als Ausgleich für die abgezogene Konvektionsluft ist es möglich, den zwischen 12 und 6 Uhr gelegenen Zonen des Vorwärmofens die Abgase der Gasbrenner 5 aus der Zone zwischen 6 und 12 Uhr zuzuführen, so dass eine gleichmäßige Beheizung des Vorwärmofens erreicht werden kann.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Industrieofens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei angemerkt, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Industrieofens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
Bezugszeichenliste
1 Innenraum
2 Gehäuse
3 Isolierschicht
4 Wärmeeintragmittel
5 Gasbrenner
6 Strahlrohr
7 Isolierhülle
8 Konvektionsraum
9 Abgasleitung
10 Vorwärm- und/oder Anlassofen
11 Drehring
12 Rost
13 Charge
14 Gasstromführung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (7) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist.
2. Industrieofen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist.
3. Industrieofen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (3) aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle.
4. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragmittel (4) zumindest einen Gasbrenner (5), ggf. mit einem Strahlrohr (6), aufweisen.
5. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem, insbesondere die Abgasleitungen (9) für die Wärmeeintragmittel (4) und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen durch den Konvektionsraum (8) geführt ist.
6. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektionsraum (8) zumindest eine Ableitung für die Konvektionsluft aufweist, und insbesondere einen oder mehrere Luftkanäle aufweist, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen.
7. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvektionsluft einer Vorrichtung zuführbar ist, in welcher die Wärmeenergie nutzbar ist, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist.
8. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen ist, in welcher die Wärmeenergie der Konvektionsluft und/oder der erhitzten Charge (13) nutzbar ist.
9. Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums (1) nutzbar ist.
10. Industrieofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) als Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist.
11. Industrieofen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) oberhalb des Innenraums (1) - ggf. schräg versetzt - angeordnet ist.
12. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Innenraums (1) durch Wärme übertragenden Kontakt zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder durch den unmittelbaren oder Wärme übertragenden Austausch von Luft und/oder Gasen zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) übertragbar ist.
13. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (7) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist.
14. Industrieofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) mit Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum (8) speisbar ist.
15. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (1) mit Abgas der Wärmeeintragmittel (4) und/oder mit aus dem Innenraum (1) abgezweigtem Gas, insb. Endogas, und/oder mit aus der Abfackelung von Endogas erzeugtem Abgas speisbar ist.
16. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenraum (1 ) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder zwischen dem Konvektionsraum (8) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder zwischen dem Abgassystem und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) ein oder mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen sind, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen.
17. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Luft- bzw. Gasströme aus dem Innenraum (1) und/oder dem Konvektionsraum (8) und/oder dem Abgassystem vor der Zuführung in den Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) mischbar sind und/oder Wärme zwischen den Luft- bzw. Gasströmen übertragbar ist.
18. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen ist, in welcher die Wärmeenergie von Luft- bzw. Gasströmen aus dem Innenraum (1) und/oder dem Konvektionsraum (8) und/oder dem Abgassystem und/oder der erhitzten Charge (13) nutzbar ist.
19. Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) eine Schleuse zum Austausch von Chargen (13) vorgesehen ist.
20. Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens, insbesondere eines Industrieofens nach einem der Ansprüche 9 bis 19, und insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Chargen (13) aus dem Innenraum (1) in den Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) umgeladen werden.
PCT/DE2009/000389 2008-04-01 2009-03-26 Industrieofen sowie verfahren zum betrieb eines industrieofens WO2009121326A2 (de)

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