DE2524106C2 - Vorrichtung zur Abstützung von Rohrleitungen innerhalb eines Industrieofens - Google Patents

Description

Die Erfindung bei.ifft eine Vorrichtung zur Abstützung von Rohrleitungen innerhalb eJr.es Industrieofens mit einem Strahlungsbereich sowie einem Konvektionsbereich, wobei die Abstützung ein* Luftkühlung aufweist, die sowohl mit der Umgebungsluft außerhalb des Ofens als auch mit dem Unterdruckbereich des Ofens verbunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist der US-PS 23 55 800 entnehmbar. Hierbei sind außerhalb des Ofens vertikale Hohlstreben vorgesehen, die an ihrem oberen Ende einen Zuganschluß an dem Kamin besitzen. An den seitlichen Ofeninnenwandungen angeordnete Rohrleitungen werden durch Hohlkörper abgestützt, deren Inneres mit den Hohlstreben in Verbindung steht, so daß die Hohlkörper eine Abkühlung durch die Luftbewegung erfahren. Die Spülung der Hohlkörper durch die Luft reicht jedoch bei weitem nicht aus, um die Temperatur, die in modernen Industrieöfen zwischen UOO und 1200° C liegt, hinreichend herabzusetzen, so daß eine Schädigung der Abstützung eintreten kann.

Weitere Vorrichtungen von luftgekühlten Abstützungen sind in den amerikanischen Patentschriften 16 22 303; 22 70 863; 23 55 892; 25 57 569; 23 48 181 und 32 12 480 beschrieben, wobei jedoch die Kühlung zu keiner hinreichenden Temperaturreduzierung führt, so daß teilweise vorgeschlagen wird, die Kühlung durch Dampfinjektion zu verstärken.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden daß eine hinreichende Kühlung der Abstützung sichergestellt ist, so daß deren Lebensdauer ebenso wie die der Abschirmrohre beträchtlich verlängert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei bezüglich bevorzugter Ausführungsformen auf die

Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.

Nach der Erfindung sind luftgekühlte Stützrohre vorgesehen, mit einer Isolation in dem Bereich, der innerhalb des Ofens einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, während mindestens ein Paar von an dem Stützrohr befestigten Metallstützen zur Abstützung eines Paares von Abschirmrohren vorgesehen ist wobei die erste ein unteres Abschinnrohr tragende Stütze an das Stützrohr angeschweißt und von der Isolierung des Stützrohres

ίο umgeben ist und die zweite eine in größerem Abstand von dem Stützrohr befindliches Abschirmrohr tragende Stütze auf die erste Stütze aufgeschweißt ist Infolge der direkten metallischen Verbindung der Abschirmrohre über die Stützen mit dem gekühlten Stützrohr läßt sich die Temperatur so weit herabsetzen, daß die Wärmeschäden wesentlich vermindert werden, so daß sich eine längere Lebensdauer der Bauteile erzielen läßt Die ersten Stützen, die die der Brennstelle am nächsten liegenden Abschirmrohre tragen, besitzen bevorzugt einen T-förmigen Querschnitt, während die Stützen für die zweiten Abschirmrohre vorzugsweise mit einem V-förmigen Querschnitt ausgebildet sind. Diese Y-förmigen Stützen, die durch das luftgekühlte Stützrohr abgeschirmt werden, sind weniger der Strahlungshitze als vielmehr der Konvektionshitze ausgesetzt Sie vermögen die zweite Reihe der Abschirmrohre zu tragen, ohne daß eine zusätzliche Isolierung erforderlich ist

Durch die neuartige Stützschiene und die hieran befestigten Stützen ist die Temperatur der Struktur beträchtlich niedriger als sie ohne Kühlung sein würde. Diese Temperatur isi so niedrig, daß der Ofen über einen langen Zeitabschnitt betrieben werden kann, ohne daß ein extremes Kriechen und ein Versagen der Stützen eintritt

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen im einzelnen:

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Vertikalofen, bei welchem die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt ist,

Fig.2 einen Teilschnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1 in größerem Maßstab,

F i g. 3 einen Teilschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung und
Fig.5 eine herkömmliche ungekühlte und abgeschirmte Stützschiene.

Die F i g. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Vertikalofen 10, wie er oft in Raffinerien oder chemischen Anlagen eingesetzt wird, und zwar im besonderen für das Dampfkracken von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Olefinen. Die Hitze wird durch die Verbrennung von Brennstoffen mit Hilfe von großen Brennern 12 am Boden des Ofens 10 erzeugt, obwohl manchmal kleinere Brenner auch im Abstand voneinander an den Seitenwänden eingesetzt werden.

In jedem Fall findet jedoch ein beträchtlicher Wärmeübergang im Strahlungsbereich 14 statt, bei welchem es sich um den Bereich des Ofens handelt, in welchem die Rohre in direktem Sichtbereich der durch die Brenner erzeugten Flammen liegen. Der Strahlungsbereich 14 ist der heißeste Teil des Ofens 10 und die dort angeordneten Rohre nehmen die größte Hitzedichte auf. Auch die Verfahreristemperaturen sind in diesem Bereich am höchsten. Hierzu ist jedoch herauszustellen,

daß die Rohre im Strahlungsbereich senkrecht angeordnet sind und von außen gehalten werden, so daß dieser Bereich für die vorliegend«; Erfindung nicht wesentlich ist, weshalb die Rohre in Fig. 1 iri diesem Bereich nicht dargestellt sind. !;

Die heißen Gase, die den Strahlungsbereich 14 verlassen, strömen aufwärts in den Konvektionsbereich 16 des Ofens 10, in welchem der Wärmeübergang auf die Rohre 18 durch Konvektion erfolgt, wie dies auch bei einem Rohrwärmetauscher der Fall ist. Nachdem die optimale Wärmemenge auf die Beschickungsströme oder andere von außen zugeführte Ströme übergegangen ist, wird das Ofengas weiter nach oben an der Zugklappe 20 vorbei in den Schornstein hineingeführt, der in den Zeichnungen nicht näher dargestellt ist

Bei manchen Ofenarten liegt der Strahlungsbereich völlig getrennt von dem Konvektionsbereich und innerhalb des Konvektionsbereiches liegen keine Rohre, die im Direktbereich eines Teils der Strahlungshitze liegen. Bei dem Aufbau des Ofens gemäß F i g. 1 ist dies nicht der FaIL Die ersten beiden Reihen von Konvektionsbereichsrohren liegen im Direktbereich eines Teils der Strahlungsenergie vca den Brennern 12 innerhalb des Strahlungsbereichs 14. Diese Rchre werden Abschirmrohre 22 genannt, da sie den übrigen Teil des Konvektionsbereiches 16 von der Strahlungsenergie, die von dem Strahlungsbereich 14 des Ofens 10 ausgeht, abschirmen. Hieraus wird deutlich, daß die unteren beiden Reihen von Rohren 22 eine wesentlich größere Hitzedichte aufnehmen als die Rohre innerhalb des Konvektionsbereiches 16, wobei in einem Ofen, der bei sehr hohen Temperaturen betrieben wird, die Abschirmrohre 22 und deren Stützen besonders harten Temperaturbedingungen ausgesetzt sind. Zur Erläuterung soll hier ausgeführt werden; daß die Verfahrenstemperatur der Kohlenwasserstoffe, die den Abschirmrohrbereich verlassen, bei etwa 677° C liegen kann. Wenn keine Wärme abgeführt wird, können die Temperaturen in diesem Bereich etwa 1200 bis 1235" C erreichen. Bei diesen Temperaturen besitzen die meisten metallischen Werkstoffe eine sehr geringe Festigkeit. Dementsprechend führt die Halterung der Abschirmrohre zu einem wesentlichen Problem und wird zu einem begrenzenden Faktor in der Lebensdauer des Ofens. Hierzu ist noch anzuführen, daß die Stützschienen an dem Ofen befestigt sind und eine Biegelast zu tragen haben, die sich von derjenigen der Strahlungsrohrhalterungen unterscheidet.

Um diese außerordentlich hohen Temperaturen zu vermeiden und eine annehmbare Lebensdauer der Abschirmrohrhalterungen zu erreichen, schlägt die Erfindung eine Kühlung vor, die auf einem natürlichen Zug beruht, wie nachfolgend noch im einzelnen erläutert werden soll. Es soll nun kurz auf Fig.5 eingegangen werden, in welcher eine herkömmliche Anordnung erläutert ist, die mit mäßigem Erfolg eingesetzt worder ist. Ein tpyisc.hes Abschirmrohr 22 wird von einer I-förmigen Schiene 24 gehalten, die ohne Kühlung Temperaturen von 1200° C und darüber erreichen kann, bei welchen die Schiene äußerst geschwächt wird, und zwar auch dann, v/enn hochtemperaturfeste Metalte verwendet werden, wie beispielsweise 25 Cr-20 Ni-Stahl. Bei diesen hohen Temperaturen kann infolge des Kriechens in einer sehr kurzen Zeit ein Versagen eintreten. Man hat bei der in F i g. 5 beschriebenen Anordnung den unteren Teil der Stützschiene 24 ein Isolationsmaterial 26 aufgebracht und dieses Isolationsmaterial 26 mit einem metallischen Werkstoff 28, normalerweise Chrom-Nickei-Stahl, umhüllt Dieser Schutz vermindert die Temperaturen des untersten Teiles der Stützschiene, während gleichzeitig der obere Teil der Schiene 24 durch den Wärmeüberj gang an die in den Rohren 22 befindlichen Kohlenwasserstoffe gekühlt wird, die, wie erwähnt, eine Betriebstemperatur von etwa 650° haben können. Somit wird in gewissen Grenzen eine Kühlung der Stützschiene erreicht Es hat sich herausgestellt daß man durch diese ic Technik die Temperatur der Stützschiene in der Größenordnung von 28 bis 83°C vermindern kann, die, obwohl sie im Vergleich mit den 1200°C Betriebstemperatur klein erscheint einen beachtlichen Effekt auf die Kriechfestigkeit der Schiene und dementsprechend ihre Lebensdauer besitzt Nachdem bei den Öfen eine immer höhere Temperatur angestrebt wird, besitzt eine derartige Anordnung nur eine sehr eingeschränkte Anwendungsmöglichkeit

Als Lösung dieses Problems wurde nun die Schaffung einer zusätzlichen Kühlung gefunden. Bei jedem Betrieb eines Ofens entsteht innen ein Unterdruck, verursacht durch die Verhältnismäßig niedrige Dichte der heißen Verbrennungsgase im Vergleich *e der umgebenden Luft In der Tat wird bei den meisten Ofen die für die Verbrennung benötigte Luft durch diesen Unterdruck, d.h. den natürlichen Zug, zugeführt Ein Teil dieses natürlichen Zuges kann eingesetzt werden, um einen Luftstrom wahlweise in ein neuartiges Stützrohr einzuführen, wobei die Kühlung zu einer beträchtlichen Temperaturabsenkung und einem Festigkeitsanstieg führt Nach der Erfindung geht man davon aus, daß gerade der Abschirmbereich gekühlt wird, und es hat sich gezeigt daß hiermit ein durchschlagender Erfolg erreicht werden kann und die Abschirmrohrhalterungen erheblich an Festigkeit gewinnen.

Die F i g. 2, die einen Teilschnitt durch die Anordnung darstellt läßt in Zusammenhang mit den Fig.3 und 4 die Ausbildung der Abschirmrohrhalterungen erkennen die es ermöglicht, die Temperatur der Abschirmrohrhalterungen beträchtlich zu vermindern. Die beiden Abschirmleitungen 22a und 226 liegen neben- und übereinander und ruhen beide auf der Stützschiene. Statt der herkömmlichen I-förmigen Stützschiene (Fig.5) wird nun ein Rohr, das normalerweise aus einem hochfesten 25 Chrom-20 Nickel-Stahl besteht, zur Stützung der Abschirmleitungen eingesetzt. Bei einem üblichen Ofen von 12,2 bis 183 m Länge sind 5 bis 7 Zwischenstützen erforderlich, um die Abschrimleitungen in hinreichendem Maß zu halten. Die Luft, die durch 5<> das Innere der Stütze strömt, vermindert ihre Temperatur beträchtlich und erhöht damit ihre Festigkeit. Die Bedeutung des Kühlens wird anhand der folgenden Daten fSr einen typischen Chrom-Nickel-Stahl erläutert. Die erlaubte Belastung beträgt:

'.7S N/mm² bei 982° C
7,3 N/mm² bei 1093⁰C
2,1 N/mm² bei 1149° C

bo Dieser Stahl schmilzt bei 1243" C und die Betriebstemperatur ohne Srtiutz und Kühlung beträgt 1204 bis 1232°C. Dementsprechend ist eine Kühlung um nur wenige 100° von größter Wichtigkeit. Um eine wesentliche Verminderung der Temperatur durch

Kühlung zu erreichen, ist die hohe Stützschiene 30 vollständig in ein leichtes Isolationsmaterial 32, das beispielsweise aus Kiolinwolle besteht, eingehüllt. Die einwandfreie Wirkungsweise dieser Isolation ist für den

Erfolg der Erfindung wesentlich und dementsprechend kann es in vielen Fällen wünschenswert sein, ein Hochtemperatur-Warnsystem vorzusehen, um die Temperatur des die Stützschiene verlassenden Luftstromes zu messen und im Falle eines Versagens der Isolation zu warnen. Im Gegensatz zum Stand der Technik bedeckt die Isolaiion 32 einen wesentlichen Teil der T-förmigen Stücke 34, die auf die Stützschiene 30 aufgeschweißt ist und die das Gewicht der untersten Reihe der Abschirmrohre 22a aufnimmt und indirekt die obere Reihe der Abschirmrohre 226 über eine Y-förmige Stütze 36 trägt, wie dies aus F i g. 3 hervorgeht.

Die F i g. 3 zeigt, daß die Y-förmigc Stütze 36 direkt auf die T-förmige Stütze 34 aufgeschweißt ist, welche wiederum direkt über eine Schweißnaht mit dem luftgekühlten Stützrohr 30 verbunden ist. Es ist herauszustellen, daß für die Y-förmige Stütze 36 keine Isolation vorgesehen ist und man könnte denken, daß sie infolge von Überhitzung versagen würde. Es wurde jedoch gefunden, daß hierfür keine Isolation erforderlich ist, da die Wärme, die von der Y-förmigen Stütze 36 über die T-Förmige Stütze 34 auf dem luftgekühlten Rohr 30 übertragen wird, ganz beträchtlich ist. So wurde beispielsweise durch eine direkte Messung herausgefunden, daß die Temperatur der Y-förmigen Stütze 167^e niedriger als 1204⁰C war. welches erfahrungemäß die typsiche Temperatur in diesem Bereich ohne Kühlung ist. Bei dieser Temperatur ist die Y-förmige Stütze ohne zusätzliche Isolation hinreichend fest, um die zweite Reihe der Abschirmrohre 226 zu halten. Zu erwähnen ist noch, daß die Stützen die Wärme über 2 Wege abgeben, d. h. zunächst durch die direkte Überleitung auf das luftgekühlte Stützrohr 30 und außerdem auf den ■ Verfahrensstrom innerhalb der Abschirmrohre 22. Es wurde gefunden, daß etwa 80% der Wärme von diesen Stützen direkt auf das luftgekühlte Stützrohr 30 überströmt, während der restliche Wärmestrom in die Abschirmrohre 22 übergeht. Die beträchtliche Tempeln raturverminderung reicht aus, um die Festigkeit des Werkstoffs beträchtlich zu erhöhen.

Obwohl es sich bei der T-förmigen Stütze mit großen

Vorsprüngen um eine bevorzugte Ausführungsform handelt, können auch andere Formen praktisch

ι -, anwendbar sein, soweit man der allgemeinen Lehre der Erfindung folgt.

Es wurde durch direkte Messung herausgefunden, daß die Luftmenge, die infolge des natürlichen Zuges durch das Stützrohr geführt wird, hinreichend ist. um eine .μ beträchtliche Verminderung der Temperatur der Stützen zu bewirken. Der Anstieg der Lufttemperatur über das luftgekühlte Rohr selbst wurde in der Größenordnung von 8 3 bis 111°C ermittelt.Die F i g. 4 zeigt noch einmal in einer perspektivischen Ansicht die einzelnen .:. Elemente der Erfindung, die bereits weiter oben erläutert worden sind, wobei in einer teilweise aufgeschnittenen Darstellung das luftgekühlte Stützrohr 30 ihre Isolation 32 und die Rohrstützen 34 und 36 zu sehen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abstützung von Rohrleitungen innerhalb eines Industrieofens mit einem.Strahlungsbereich sowie einem Konvektionsbereich, wobei die Abstützung eine Luftkühlung aufweist, die sowohl mit der Umgebungsluft außerhalb des Ofens als auch mit dem Unterdruckbereich des Ofens verbunden ist, gekennzeichnet durch luftgekühlte Stützrohre (30) mit einer Isolation (32) in dem Bereich, der innerhalb des Ofens (10) einer hohen Temperatur ausgesetzt ist und mindestens ein Paar von an dem Stützrohr (30) befestigten Metallstützen (34,36) zur Abstützung eines Paars von Abschirmrohren (22a, b) wobei die erste ein unteres Abschirmrohr [22a) tragende Stütze (34) an das Stützrohr (30) angeschweißt und von der Isolierung (32) des Stützrohres (30) umgeben ist und die zweite ein in größerem Abstand von dem Stützrohr (30) befindliches Abschirmrohr tragende Stütze (36) auf die erste Stütze (34) aufggschweißt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stütze (34) einen T-förmigen Querschnitt besitzt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stütze (36) einen Y-förmigen Querschnitt besitzt