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Verfahren und Vorrichtung zum Regeln von Ein- und Ausgangstemperatur
der Heißwinde an regenerativ betriebenen Winderhitzern für Hochöfen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und die zur Ausübung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung
zum Regeln von Ein- und Ausgangstemperatur der Heißwinde an regenerativ betriebenen
Winderhitzern für Hochöfen mit getrenntem Brennkammerschacht und tangentialen, stufenweise
angeordneten Hochleistungsbrennern.
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Zur Steigerung der Hochofenleistung und zur Senkung des für die Roheisenerzeugung
benötigten Koksverbrauchs wird unter anderem die regenerativ erfolgende Erhitzung
des Hochofenwindes im Winderhitzer benutzt. Die Aufheizung des in den Hochofen einzublasenden
Windes wird in dem mit Gitterwerk ausgerüsteten Wärmespeicher des Winderhitzers
durchgeführt, der für das Regenerativverfahren entsprechende Absperrvorrichtungen
aufweist. In den bekannten Ausführungen von Winderhitzern steigen die im unteren
Teil eines abgeteilten, besonderen Brennraumes zur Verbrennung gebrachten Gase als
einzelne Verbrennungspartikel bis in die Kuppel auf, durchströmen dann unter Rufheizung
das im Gitterschacht eingebaute Gitterwerk nach unten, wobei sie ihre Wärme abgeben,
und gelangen von dort durch einen Rauchgaskanal zum üblichen Kamin. Ist das Gitterwerk
innerhalb einer Heizperiode genügend hoch aufgeheizt, wird die weitere Gaszufuhr
abgestellt, wodurch die Verbrennung und Rufheizung beendet wird. Danach wird Kaltwind
im Gegenstromprinzip durch das auf hohe Temperatur gebrachte Gitterwerk von unten
nach oben geblasen. Hierbei wird der Kaltwind zum Heißwind aufgeheizt, während sich
der Wärmespeicher langsam abkühlt, und der Heißwind wird in den Hochofen über dessen
Düsen eingeleitet. Sobald der Wärmespeicher bis zu einer unteren Grenztemperatur
abgekühlt ist, wird das weitere Einblasen von Kaltwind in diesen Winderhitzer eingestellt,
worauf nach einer Umschaltung der Kaltwind durch einen anderen inzwischen hoch aufgeheizten
Winderhitzer geleitet und in dessen heißem Gitterwerk auf eine möglichst günstige
Temperatur erwärmt wird.
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Da jedem Hochofen mehrere Winderhitzer zugeordnet sind, wird die Umsteuerung
dieser Vorgänge, d. h. abwechselnde Rufheizung der Wärmespeicher, für die spätere
Wärmeabgabe an den durchgeleiteten Kaltwind in entsprechenden Folgen vorgenommen.
Zu beachten ist dabei, daß einmal mit einem Heißwindverlust von etwa 5 % gerechnet
werden muß, und zum anderen der Wirkungsgrad von Winderhitzern nur mit höchstens
80% angenommen werden darf.
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Bekannte und im Betrieb befindliche Einrichtungen, die zur Verbrennung
von normalem Hochofengichtgas bzw. höherwertigem Mischgas für die Rufheizung des
Winderhitzers dienen, bedienen sich eines oder mehrerer, am Brennschacht angebrachter
Hochleistungsbrenner. Der meist oval angeordnete Brennschacht befindet sich hierbei
vorzugsweise noch innerhalb des Winderhitzermantels, jedoch ist es auch bekannt,
ihn neben dem Winderhitzer freistehend in runder Form anzuordnen. Da der Hochofenbetrieb
für eine wirtschaftliche Leistungssteigerung höhere Windtemperaturen von über 1200°
C und mehr als bisher üblich am Düsenstock erfordert, erfolgt neben der Vorwärmung
von Brenngas und Luft auch eine Aufbesserung des Heizwertes des an sich schwachen
Gichtgases durch eine Zumischung von Brennstoffen mit höheren Heizwerten, um so
eine Erhöhung der Verbrennungstemperaturen für die höhere Rufheizung des Winderhitzers
unter Verwendung der herkömmlichen Anlagen zu erzielen.
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Darum arbeitet eine bekannte Lösung (deutsche Patentschrift 908 515)
nach dem Prinzip, vorgewärmte Medien, d. h. Gas und Luft, zu vermischen und kurzflammig
zu verbrennen. Heizgas und Luft sind in ihren Mengen regelbar. Es ist beabsichtigt,
eine konstante höchstzulässige Temperatur zu erzielen. Diese Verfahrensweise wird
über die gesamte Brennschachthöhe angewendet. Sie bewirkt eine gleichmäßige Rufheizung
des sich im Brennschacht befindlichen Gitterwerks. Damit kann aber nur eine der
Höchsttemperatur der Gittersteine angepaßte Ausgangstemperatur der erhitzten Gase
bewirkt werden. Das Verfahren mangelt der Regelbarkeit von Ein- und Ausgangstemperatur
der Heißwinde, wie sie heute an modernen Hochöfen mit programmgesteuerten
Stehantrieben
für die Düsenstöcke gefordert wird. Die Vorrichtung der bekannten Lösung besitzt
radial am Schachtquerschnitt und in verschiedenen Höhenlagen angeordnete Brenner.
Die Achsen der konischen Brennkammern in der Schachtwandung liegen horizontal. Jeder
Brenner führt Wärme in der für ihn bestimmten Gittersteinzone zu. Ein weiteres Kriterium
ist, daß die Brenner, in Höhenlage versetzt, sich gegenüberliegend und starr angeordnet
sind. Am unteren Ende des Brennschachtes ist die Abzugsöffnung für den Heißwind
vorgesehen.
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Eine weitere bekannte Lösung (deutsche Patentschrift 922 295) bedient
sich der Verfahrensweise, radial bis tangential Gas einzuführen und der unter Druck
von unten, den Schachtquerschnitt ausfüllenden eingeführten Verbrennungsluft im
Schachtkern zusätzlich Gas in Richtung der Schachtlängsachse beizumischen. Damit
wird eine gleichmäßige Verbrennung über den gesamten Schachtquerschnitt erzielt,
verbunden mit einer entsprechenden Ausnutzung der zugeführten Anteile von Gas und
Luft. Jedoch basiert auch diese Arbeitsweise auf Heizmitteln hochwertiger Zusammensetzung,
die dazu führt, daß eine Höchsttemperatur erreicht wird. Jedoch ist dann keine Regulierbarkeit
der Temperatur gegeben. Es ist auch nicht möglich, die Lage der Verbrennungszone
so günstig wie möglich zu gestalten und die durch den Heizwert der Gase bedingten
Gegebenheiten zu berücksichtigen. Diese Vorrichtung weist Brenner auf, die tangential
das Gas in den Brennschacht einspeisen und starr in der Wandung befestigt sind.
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Die vorliegende Erfindung hat sich nunmehr zur Aufgabe gestellt, ein
optimales Verbrennungsverfahren für die Aufheizung des Winderhitzers aufzuzeigen.
Die zu lösende Schwierigkeit liegt darin, eine Steiaerung der Heißwindtemperaturen
auf über l200° C im Dauerbetrieb zu erreichen, weil moderne Hochofenanlagen mit
derartig hohen Temperaturen arbeiten. Dabei ist das weitere Problem zu lösen, nicht
nur die angegebene hohe Temperatur zu erzeugen, sondern insbesondere diese Temperatur
in engen Regelbereichen zu beherrschen.
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Nach der Lehre der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch das
Verfahren gelöst, daß im Brennkammerschacht einem oder mehreren der Hochie:stunasbrenner
vorgewärmtes Schwachgichtgas und Verbrennungsluft mit überschußanteil zugeführt
wird, in deren Mischungszone quer und/oder entgegen zur Flammenrichtung ein Gemisch
aus Luft Lind gasförmigen oder flüssigen BrennstofT-en eingespritzt und danach im
Abstand zur Mischungszone im wesentlichen gleicher Richtung Brennluft von niedriger
Temperatur eingeführt wird. Die Vorteile eines solchen Verfahrens liegen in einer
völligen Ausnutzung des Schwachgichtgases, in der nachfolgenden Zufuhr weiterer
Energie zur Temperatur-und zur guten Durchmischung für eine hinter der Mischungszone
restlose Verbrennung der brennbaren Bestandteile, wobei mit Zweitluft gleicher Temperatur
entweder eine Temperatursteigerung des Heißwindes oder aber eine Erniedrigung des
Heißwindes in weiten Grenzen vorgenommen werden kann. Während der ganzen Abgabezeit
an Heißwind besteht also die Möglichkeit einer Vergleichmäßigung der Temperaturen,
d. h. eine Wegnahme der Spitzentemperatur, die nicht unbedingt erforderlich ist,
aber zur Erzeugung einer entsprechend großen Menge Windes von gemäßigter Temperatur
zu dienen vermag.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
gebildet aus einem oder mehreren in einem Brennkammerschacht von rundem oder ovalem
Querschnitt am der Gasabzugskuppel gegenüberliegenden Ende längs oder quer zur Schachtachse
angeordneten Hochleistungsbrennern, in deren Mischungszone von Schwachgichtgas und
Luft mehrere gleichmäßig über den Umfang in der Schachtwandung verteilte Brenner
für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff vorgesehen sind, und gebildet aus im axialen
Abstand, der ein Mehrfaches des Schachtinnendurchmessers beträgt, über den Umfang
gleichmäßig zwischen die Brenner verteilte Zweitluftdüsen, die schräg entgegen der
Flammenachse gerichtet sind, und versehen mit zumindest einer Abzugsöffnung für
den Heißwind zwischen den Zweitluftdüsen und Brennern oder am Ende des Schachtes.
Diese Gestaltung ergibt im unteren Teil in verschiedenen Reaktionsebenen eine gute
Durchmischung der Brennstoffe mit den benötigten Luftmengen. In der Reaktionsebene
der Brenner für gasförmigen oder flüssigen Brennstoff sorgt die damit erreichte
Turbulenz für eine weitere Steigerung dieser Wirkung, wobei an den Stellen der Zweitluftdüsen
eine optimale Reaktionsfähigkeit unter Vermeidung von nicht umgesetzten Brennstoffresten
eintritt. Mit dieser Gestaltung wird der Effekt erzielt, daß die zusätzliche Beimischung
von Brennstoff in Luft und die nachträgliche Zumischung von Zweit- oder Zusatzluft
zu den Resten von noch vorliegenden, brennbaren Gasen ideale Voraussetzungen für
eine hochwertige Energieumsetzung schafft. Die Aufheizungsmöglichkeit des Gitters
im getrennten Gitterschacht des Winderhitzers über die höchsterhitzten Verbrennungsgase
kann bis zur zulässigen Belastbarkeit der Winderhitzerkuppel und des Gittermaterials
erfolgen, die zweckmäßig in Form von Silika-Steinen in entsprechenden hitzebeständigen
Qualitäten vorgesehen werden. Die Hochleistunmbrennerkönnen zudem mengenregelbar
für Luft und Normalgichtgas vorgesehen sein. Die Zusatzbrenner in höheren Reaktionsebenen
sind dagegen nicht nur mengenregulierbar für Luft und Brennstoff, sondern auch mit
einer einstellbaren Wirbelungseinrichtung versehen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Achsen der quer
zur Schachtachse angeordneten IHochleistungsbrenner parallel und mit gleichgroßen,
senkrechten Abständen von der Schachtachse. In dieser Ausführungsart ist eine besonders
intensive Durchmischung durch die aufeinanderprallenden Mengen von Schwachgichtgas
und vorgewärmter Luft gegeben, so daß auch bei dieser Ausführungsform die Energieausnutzung
von höchstem Grade bleibt.
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Ein anderes Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß die Achsen
der Brenner und Zweitluftdüsen Tangenten eines Kreises sind und über Kugelgelenke
od. dgl. kegelmantelförmig bewegbar sind. Damit ist die Möglichkeit geschaffen,
die Zweitbrenner über die einzelnen Zonen der Verbrennung des Schwachgichtgases
des Luftüberschußanteils zu richten. Der Vorteil licgt in der überstreichbarkeit
des gesamten Schachtquerschnittes. Je nach Länge der Misch- und Brennzone (Gichtgasqualität)
wird man also die Zweitbrenner und die Zweitluftdüsen ausrichten. Man kann mit dem
Merkmal der Einsteilbarkeit aber auch die Verbrennung in verschiedene
Höhenlagen
des Brennschachtes legen. Durch die tangentiale Anordnung wird nicht nur eine weitere
intensivere Durchmischung des Gas-Luft-Gemisches bewirkt, sondern die Gassäule in
einer Drehung ähnlich einer Schraubenlinienform bewegt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist
dadurch gegeben, daß im Bereich des Brennkammerschachtes mehrere auf verschiedenen
Durchmessern angeordnete Überwachungsgeräte für Druck-, Temperatur- und Abgaszusammensetzung
vorgesehen sind. Die Steuergeräte dienen dazu, über Programmgeber eine Regelung
der Brennstoff- und Luftmengen an den verschiedenen Brennern bzw. Zweitluftdiisen
für alle oder nur für einzelne VorrichtunGen vorzunehmen. Diese modernen Reaelgeräte
vermögen selbsttätig über einen Ist-So_1-Vergleich die mengenmäßige Zufuhr der Brennstoffe
und!oder der benötigten Luftmengen an allen oder auch nur an einzelnen Vorrichtungen
zu steuern.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß im Bereich der
Zwehluftdüsen eine düsenartige Verengung der Aasmauerung gebildet ist. An dieser
Stelle ergibt sich eine Einschnürung des Gasstromes, in welc:zer besonders intensiv
während der Verbrennun2 en+,gege-1 der Strömungsrichtung, die für die noch vorhandenen
restlichen, brennbaren Bestandteile erforderliche Verbrennungsluft eingeführt werden
kann. Im Gegensatz dazu dient die Einschnürung bei 1-.leißwindentnahme zu einer
über den verbleibenden Schachtquerschnitt gleichmäßigen Aufnahme von Luft zur Herabsetzung
der unerwünschten Spitzentemperatur, wobei besonders das Einschießen dieser Luft
in die einzelnen Querschnittszenen durch die tangential angeordneten Zweitluftdüsen
von Vorteil ist.
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Im Rahmen der Erfindung sind alle wichtigen Voraussetzungen für die
Erzielung eines hohen Verbrennungswirkungsgrades im Brennerschacht des Winderhitzers
und für die Beherrschung einer gleichmäßigen Temperatur des abzuführenden Heißwindes
vereint. Damit wird eine wirtschaftliche A rbeitscveise der dem Hochofen vorgeschalteten
Winderliitzer erreicht und damit auch die gewünschte höhere Wirtschaftlichkeit des
gesamten Hochofenbetriebes gesteigert.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung
schematisch dargestellt, wobei F i g. 1 einen Längsschnitt durch den unteren Teil
einer Verbrennungskammer gemäß Linie I-1 in F i g. 2 und F i g. 2 einen Querschnitt
durch die gleiche Kammer gemäß Linie 11-II in F i g. 1 darstellt.
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Nach den F i g. 1 und 2 ist ein meist runder, aber auch in anderen
Ouerschnittsformen, z. B. oval, vorliegender Brennkammerschacht 1 eines Winderhitzers
auf einem über Hüttenflur liegenden Gerüst 2 angeordnet, dessen nicht dargestellte
Kuppel haubenförmig mit der Kuppel eines getrennt angeordneten Gitterschachtes des
Winderhitzers od. dgl. verbunden ist. Unterhalb vom Schacht ist ein üblicher für
normal vorgereinigtes, aus dem Hochofen anfallendes Gichtgas als sogenanntes Schwachgas
hinsichtlich seines Heizwertes vorgesehener Hochleistungsbrenner 3 angeordnet, der
über steuerbare Ventile 4 an die Gasleitung 5 mit eventuell vorgewärmtem Gichtgas
und an die Zuführung 6 für Kalt- oder auch vorgewärmte Luft angeschlossen ist. Durch
die besondere Ausgestaltung des Hochleistungsbrenners 3 werden Gas und Luft im Verbrennungsraum
1 a mit einer intensiven Durchwirbelung verbrannt, die in einer Ebene 7 ihre maximale
Turbulenz aufweist. In diese Ebene 7 sind erfindungsgemäß am Außenumfang des Kammermantels
1 b gleichmäßig verteilt mehrere, nach der Darstellung vier etwa in sich kreuzenden
Achsen angeordnete Zusatzbrenner 8 für inengenr;gulierbare hochwertige flüssige
oder gasförmige Brennstoffe, d. h. solche mit hohen Heizwerten, z. B. öle oder Erdgase,
zur Steigerung der Verbrennungstemperatur vorgesehen.
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Diese Brenner 8 können gemäß der Erfindung gelenkig mit schräg abwärts
geneigter Richtung in den Lagerlzästen 9 gelagert sein, und für deren Schwenkbarkeit
sind im feuerfesten Futter 10 kegelförmige Aussparungen angeordnet. Zusätzlich sind
diese Brenner 8 mit einer eigenen einstellbaren Wirbelungseinrichtung für den Brennstoff
und die Luftzuführung versehen, und sie sind mit jeweils tangentialer Brennrichtung
so angeordnet, daß ihre Tangenten 11 einen Kreis 12 mit etwa dem halben Durchmesser
der Brennkammer 1 a berühren.
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Über die Luftleitung 6 kann bereits dem Hochleistungsb_renner 3 eine
Überschußmenge an Luft zugeführt werden, damit die hochwertigen Zusatzbrennstoffe
des Brenners 8 auch sofort intensiv verbrennen können. Um eine optimale Verbrennung
aller in die Brennkammer la eingebrachten Brennstoffe zu den angestrebten Hochtemperaturen
zu erzielen, werden in einer weiteren, darüber liegenden Ebene 13 etwa in Höhe des
Scheitels einer düsenartigen, strichpunktiert gezeichneten Verengung 14 des `euerfesten
Mauerwerks riehrere auf dem Umfang des Mantels 1 b gleichmäßig :verteilte und menaenregufiierbare
Zweitluftdüsen 15 mit eigener Durchwirbelungseinrichtung vorgesehen, die wiederum
gelenkig in den Lagerkästen 16 gelagert sind und im Mauerwerk 10 kegelförmige Aussparungen
für die Luftwirbel vorfinden. Diese Zweitluftdüsen 15 sind gleichzeitig wiederum
tangential auf den Innenkreis 12 schräg abwärts gegen die schraubenförmig aufsteigenden
Verbrennungsgase gerichtet, damit etwa vorhandene, noch unverbrünnte Brennstoffsträhnen
zur optimalen Verbrennungswirkung im oberen Kammerraum 18 gebracht werden.
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Nach einer versetzten Anordnung der Zweitluftdüse 15 in ihrer Ebene
13 gegenüber den Zusatzbrennern 8 in der Ebene 7, wobei diese be_den Ebenen mit
einer größeren Entfernung h=1,5-2d voneinander entfernt liegen können, kann auch
nur einer oder etwa die Hälfte dieser vorgesehenen Zweitluftdüsen in einer abwechselnden
Folge in einer weiteren Ebene 19 angebracht werden. Im anschließenden oberen Schachtraum
20 können sich die Brenngase strähnenfrei nach A bschluß des Verbrennungsvorgangs
entwickeln, die im angeschlossenen Gitterschacht dessen Gitterwerk aufbeizen.
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Unter:"alb der Kuppel des Brennkammerschachtes 20 sind übliche (nicht
dargestellte) Überwachungsgeräte in einer Anordnung auf konzentrischen Kreisen zur
Erfassung von Temperatur, Druck und Abgaszusammensetzung vorgesehen, deren Werte
über automatische Programmregler eine erforderliche Zugabe oder Drosselung der Brennstoffe
und/oder Luft veranlassen, um eine zeitentsprechende Aufheizung des Gitterwerks
im Gitterschacht zu den gewünschten Temperaturhöchstwerten zu gewährleisten.
Da
jedem Hochofen mehrere Winderhitzer, wenigstens zwei, aber meist drei oder auch
vier, zugeordnet sind, werden diese abwechselnd im Regenerativverfahren nach der
vorgenommenen Aufheizung auf Wind umgestellt, um dem angeschlossenen Hochofen Heißwind
mit einer möglichst gleichbleibenden Temperatur anzuliefern, wobei die nicht auf
Wind geschalteten Winderhitzer in der Zwischenzeit aufgeheizt werden. Für die Entnahme
des vom Winderhitzer abgegebenen Heißwindes ist am Brennkammerschacht 1 ein Abgasstutzen
1 f vorgesehen, der mit einem üblichen Heißwindschieber 21 verschließbar ist. Dieser
Stutzen 1 f ist in einer Ebene 22 schräg unterhalb einer Zweitluftdüse 15 angeordnet,
damit dieser Heißwindschieber 21 etwa in einer Neutralzone angebracht ist, um extreme
Hochtemperaturen von ihm fernzuhalten. Da das zunächst hocherhitzte Gitterwerk im
Gitterschacht dem Heißwind übertemperaturen überträgt, sollen diese Übertemperaturen,
die über die gleichen oder an anderer geeigneter Stelle angeordneten Temperaturmeßgeräte
für den Heißwind festgestellt werden, über die gleichen mengenregelbaren Zweitluftdüsen
15 bzw. auch über die Zusatzbrenner 8 durch zusätzliches Einblasen von Zumischkaltwind
auf eine gewünschte Heißwindtemperatur herabgesetzt werden, bis sich die für die
Arbeitsweise des Hochofens erstrebte Normaltemperatur des Heißwindes von über 1200°
C eingeregelt hat.
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Die Erfindung besitzt neben den bereits erwähnten Vorzügen den Vorteil,
eine sehr genaue Regulierung der Verbrennungsluft mit minimalem Luftüberschuß für
die Verbrennung der zugeführten Brennstoffmenge zu gestatten. Dadurch erfährt die
Temperatur der entstehenden Rauchgase einen Höchstwert, so daß ein sehr schnelles
Aufheizen des Gitterwerks eines Hochofen-Winderhitzers möglich ist.