DE3339972A1 - Kammerringofen und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents
Kammerringofen und verfahren zu dessen betriebInfo
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Description
4.November 1983 Kammerringofen und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen der Rauchgase in einem zum Brennen von Kohlenstoffkörpern dienenden
Kammerringofen sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Ofens.
Zum Brennen von Kohlenstoffkörpern, die zur elektrolytischen
Reduktion von Aluminium oder für andere elektrometallurgische Verfahren dienen, werden besondere Öfen für die Wärmebehandlung
(Brennen oder Kalzinieren) dieser Kohlenstoffkörper verwendet.
Die Kohlenstoffkörper werden in der gewünschten Form aus
einem Gemisch aus Koksmehl oder Anthrazit und einem Bindemittel, das z.B. Kohlenteer und Pech enthält, hergestellt.
Bei Raumtemperatur ist dieses Gemisch aus Koks und Bindemittel starr. Bei Temperaturen von über 120 C wird das Gemisch unter
Ausströmen der niedrigflüchtigen Komponenten des Bindemittels
weich. Wird dieses Gemisch über einen Zeitraum weiter auf ein Maximum von 1300°C erhitzt, so härtet die Grundmasse
und ihre physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die elektrische Leitfähigkeit, und der Widerstand gegen Oxydation
ändern sich.
Noch nicht gebrannte Kohlenstoffkörper werden gewöhnlich
als "grüne Kohlenstoffkörper" bezeichnet. Diese grünen Kohlenstoff
körper können mehrere Tonnen wiegen und eine Länge von 2 m und mehr aufweisen. Um eine Deformation dieser Körper
zu verhindern, wenn diese einen Temperaturbereich passieren, bei dem sie erweichen, müssen besondere Vorkehrungen getroffen
werden.
Die grünen Kohlenstoffkörper werden in tiefe, im Ofen vorgesehene
Schächte eingebracht, die aus feuerfesten Ziegeln bestehen. Der Raum zwischen den Kohlenstoffkörpern und den
Schachtwänden wird mit Koks gefüllt, um die Kohlenstoffkörper
abzustützen. Ferner dient Koksgrus zum Schutz der Kohlenstoffkörper
gegen eine Luftverbrennung.
Mehrere Schächte sind hintereinander angeordnet und bilden eine sogenannte Kammer. In den Schachtwänden sind Kanäle oder
Leitungen für die Rauchgase vorgesehen. Die Kohlenstoffkörper
werden dadurch erhitzt, indem man Rauchgase durch diese Kanäle leitet.
Die Rauchgase gelangen über Kanäle von einer Kammer zur benachbarten
Kammer. Auf diese Weise können die Rauchgase durch mehrere Kammern ziehen, die in Serie in einer sogenannten
Brennzone verbunden sind. Die üblichen Brennstoffe sind Öl oder Gas.
Der Rauchgasabzug und das Brennerrohr können von Kammer zu Kammer bewegt werden.
Bei einem großen Ringofen können auch zwei Reihen von aneinander gebauten Kammern parallel ausgerichtet sein, wobei die
Rauchgaskanäle an den Enden der Kammerreihe mit den Rauchgaskanälen der anderen parallelen Kammerreihe verbunden sind.
Auf diese Weise sind die Kammern unter Ausbildung eines Rings miteinander verbunden. Demzufolge wird ein derartiger Ofen
zum Brennen von Kohlenstoffkörpern als Kammerringofen bezeichnet.
In einem Kammerringofen können mehrere Brennzonen vorgesehen
sein, in denen die Temperatur entsprechend einem vorgegebenen Ablaufprogramm reguliert wird. Die ersten Kammern in einer
Brennzone weisen eine niedrige Temperatur auf, die weiteren
BAD
Kammern eine höhere Temperatur. Die letzte Stufe in einer
Brennzone hingegen besteht aus Kammern, in denen die Kohlenstoff körper gekühlt werden.
In einem Ofen bekannter Bauart ist jede Kammer an der Oberseite
mit Hilfe eines Kammerdeckels abgeschlossen. Dieser Deckel muß zum Einbringen der grünen Kohlenstoffkörper oder
zum Austragen der gebrannten Kohlenstoffkörper entfernt werden,
Angesichts der besonderen Eigenschaften der Kohlenstoffkörper
müssen zu große Temperaturgradienten während des Brennvorganges verhindert werden, da ansonsten Risse im Endprodukt
auftreten würden. Jede Kammer muß demzufolge einem exakten Zeit- und Temperaturprogramm folgen.
Im ersten Teil der Zone (Vorwärmzone) erfolgt eine Aufheizung bis zu 6000C mit Hilfe der Wärme der Rauchgase, die von dem
letzten Teil der Brennzone stammen. In dem Temperaturbereich von 6000C bis zu der gewünschten Höchsttemperatur (1200° bis
13000C) muß die Wärme durch die oben erwähnte Verbrennung von
Gas oder Öl zugeführt werden (Brennzone).
In der Kühlzone werden die Schachtwände durch Luft gekühlt,
0 bis die Kohlenstoffkörper ohne der Gefahr der Oxydation entfernt
werden können.
Um die bestmöglichste Nutzung der von der Kühlluft aufgenommenen Wärme zu erzielen, wird diese Luft zur Verbrennung
verwendet.
Die Brennzone wird durch Versetzen der Öl- oder Gasbrenner von einer Kammer zur anderen bewegt. Die Häufigkeit dieses
Vorgangs wird als Heizzyklus bezeichnet und bestimmt die Kapazität der Brennzone.
Wie erwähnt, muß es auch möglich sein, ein Gasauslaßsystem
mit einer mit der Brennzone in Verbindung stehenden Kammer zu verbinden. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß
man einen Ventilator zwischen dieser Kammer und einer Rohrverbindung zu einem um den Ofen herum ve rlaufenden Abzugskanal
anordnet. Dieser Abzugskanal wird als Abgasringkanal bezeichnet und mit Hilfe eines Hauptventilators unter Unterdruck
gehalten.
Ehe die Abgase den Hauptventilator erreichen, durchlaufen diese gewöhnlich einen Gaswäscher, der Ruß, Teerdampf und
andere Verunreinigungen entfernt.
Üblicherweise wird zwischen geschlossenen und offenen Kammerringöfen
unterschieden. Geschlossene Kammerringöfen sind gewöhnlich mit senkrechten, in den Schachtwänden vorgesehenen
Rauchgaskanälen versehen. Mehrere Schächte sind unter Ausbildung einer Kammer zusammengebaut und werden von einem
gemeinsamen Kammerdeckel abgedeckt. In bezug auf die Rauchgase und das zu brennende Material sind die Schächte parallel
verbunden, die Kammern hingegen in Reihe. Im Raum unterhalb 0 der Kammer sind horizontale Rauchgaskanäle vorgesehen, wohingegen
zwischen dem Kammerdeckel und dem oberen Ende der Schächte das Gas ungehindert strömt. Die in den Schachtwänden
vorgesehenen Rauchgaskanäle verbinden die Räume unter dem Kammerdeckel mit dem Raum unter der Kammer.
Mit diesen senkrechten und horizontalen Kanälen weist dieser Ofentyp eine größere Gesamtwärmeübertragungsflache als offene
Kammerringöfen auf, in denen die Rauchgaswege auf die Zwischenwände
der Schächte begrenzt sind, die im Inneren jeder Kammer nicht untereinander verbunden sind.
Geschlossene Kammerringöfen sind bisher auch mit separaten senkrechten Kanälen zum Heizen versehen worden, wobei diese
Kammern als Brennkammern bezeichnet werden, in die Brennstoff zugeführt wird und dort verbrannt wird.
Die Praxis hat gezeigt, daß die Rauchgase in diesen Brennkammern senkrecht nach oben fließen, sich in dem Raum unter
dem Kammerdeckel ansammeln und anschließend in den in den Schachtzwischenwänden vorgesehenen Gaskanälen senkrecht nach
unten fließen.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Brennkammern zu entfernen und den dabei frei werdenden Raum dem Nutzraum der
Schächte hinzuzufügen, wobei gleichzeitig die senkrechten Kanäle in jeder Schachtwand mit Hilfe von Trennwänden unterhalb
des Schachtbodens zu Gruppen vereinigt werden. Diese Führung der Rauchgase kann weiter fortgesetzt werden, indem
man die Kanäle in jeder einzelnen Schachtwand über die Schachtwand in einen oder mehrere separate Räume hinausführt, die
zwei in diesen Schachtwänden vorgesehene benachbarte Gruppen in Reihe verbinden.
Das letztgenannte Merkmal macht es möglich, daß auf den bisher verwendeten großen und schweren Deckel verzichtet werden
kann, der alle Schächte der Kammer überdeckt. Dieser eine schwere Kammerdeckel kann somit durch kleinere über jeder
Schachtwand angeordnete Deckel ersetzt werden.
Die Rauchgase können somit in jeder Gruppe der in der Schachtwand
vorgesehenen Kanäle in gleicher Flußrichtung und nacheinander durch alle Gruppen in der Schachtwand
geführt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die in jeder
Schachtwand vorgesehenen Kanäle mit Hilfe einer im Raum unter jedem Schacht vorgesehenen Zwischenwand in zwei Gruppen unterteilt.
Wird ein Ofen in dieser Weise aufgebaut, so kann der Brennstoff ganz oder teilweise dem Raum über oder unter den Schächten
und/oder ganz oder teilweise dem Raum über jeder Schachtwand zugeführt werden.
Das Heizen kann auch dadurch betrieben werden, daß man die Verbrennung mit unzureichender Luft in den Raum (bzw. den
Räumen), in den (bzw. in die) der Brennstoff zugeleitet wird, durchführt und anschließend mehr Luft in einen oder mehrere
Räume, die sich in Richtung des Rauchgases anschließen, einleitet.
Da dieser neue Aufbau keine separaten Räume zum Heizen aufweist, ist weniger Platz und eine kleinere Menge an Ziegeln
erforderlich als im Vergleich zu Öfen gleicher Kapazität aber bekannter Bauart.
Weiterhin ist in diesem erfindungsgemäßen Ofen die Wärmeübertragung
sowohl der nach oben strömenden als auch der nach unten strömenden Rauchgase sehr wirkungsvoll. Der gesamte
Führungsweg, den das Gas entlangströmt, ist pro Kanal beträchtlich länger.
Im Vergleich zu einem geschlossenen Ofen früherer Bauart entwickelt der erfindungsgemäße Ofen mit gleicher Größe bzw.
Kapazität eine größere Rauchgasgeschwindigkeit in den senkrechten Rauchgaskanälen, wodurch die Wärmeübertragungsbedingungen
weiter verbessert werden.
5 Das kleinere Volumen an Ziegeln verbunden mit dem schnelleren Gasfluß in den Rauchgaskanälen - ohne dabei auf den Vorteil
der Führung der Rauchgase unter der Kammer verzichten zu müssen - bedeutet, daß ein gemäß der Erfindung gebauter Ofen
eine bessere Energieausnutzung sowie gleichzeitig eine gleich-0 mäßigere Temperaturverteilung in dem Schacht aufweist, als
Ofen bekannter Bauart.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Kammer eines Kammerringofens bekannter Bauart in perspektivischer Ansicht im Schnitt,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Kammer eines
Kammerringofens von erfindugnsgemäßer Bauart
in perspektivischer Ansicht im Schnitt,
Fig. 3 einen Kammerringofen mit zwei Brennzonen in schematischer Darstellung,
Fig. 4 den Rauchgasfluß in einer Brennzone,
Fig. 5 den Rauchgasfluß in einer Schachtwand im Längsschnitt, wobei ein separater Deckel über
den Öffnungen der Rauchgaskanäle angeordnet ist und
Fig. 6 die Schachtwände in einer Kammer im Querschnitt, wobei separate Deckel über den Schachtwänden
angeordnet sind.
Fig. 1 zeigt eine Kammer bekannter Bauart mit fünf Schächten 1 in geschnittener Darstellung. In den Schachtwänden 2 sind
Rauchgaskanäle 3 vorgesehen, durch die die Rauchgase von dem Raum unter dem Kammerdeckel (nicht dargestellt) nach unten
in den Raum 4 unter den Boden des Schachtes 1 strömen. Der von unten nach oben gerichtete Strom der Rauchgase verläuft durch
Verbrennungskammern 5.
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Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kammer, bei der die Verbrennungskammern
entfernt wurden. Unter dem Boden der Schächte befindet sich nun eine Zwischenwand 6, die den Raum unter
dem Schacht in zwei Räume unterteilt. Auf diese Weise fließen die Rauchgase über eine Gruppe 7 von Gaskanälen nach oben
und über eine andere Gruppe 8 nach unten.
Beim Betrieb ruht eine Abdeckplatte auf den Kammerwänden Diese Abdeckplatte ist nicht dargestellt. Sie stellt jedoch
in Fig. 1 wie in Fig. 2 sicher, daß die Gasströmung durch die bestimmten Kanäle verläuft.
Aus dem Raum unter den Schächten führt ein Kanal (nicht dargestellt)
zu einem Rohrverbindungspunkt 9a auf der Oberseite des Ofens. Diese Kanäle werden verwendet, um die einzelnen
Kammern mit dem Abgasringkanal 10 zu verbinden.
Das Heizen kann, wie vorstehend erwähnt, auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Der Brennstoff kann insgesamt
oder zum Teil in den Raum über oder unter den Schächten und/ oder insgesamt oder teilweise in den Raum über jeder Schachtwand
eingeführt werden.
Ein Heizen kann auch durchgeführt werden, falls unzureichende Luft in den Raum oder die Räume, in die der Brennstoff eingespritzt
wird, zugeführt wird. Mehr Luft wird in einen oder mehrere stromabwärts gelegene Räume zugeführt. Indem man
Luft dem Raum 4 zuführt, kann die Erwärmung auch auf dem 5 Boden der Schächte lokalisiert werden, ohne daß der Brennstoff
verkohlt.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen
Kammerringofen mit zwei Brennzonen. In jeder Brennzone sind Brennkammern an unterschiedlichen Stufen vorgesehen. Bei der
Kammer 11 ist der Deckel abgenommen. Luft wird durch eine
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Hälfte in Richtung der Kammer, in der das Brennen nun stattfindet,
eingesaugt.
Die in dieser Kammer 11 befindlichen Kohlenstoffkörper werden
mit Hilfe der durch den Abzugslüfter 12 eingesogenen Luft gekühlt. Auf diese Weise wird diese Luft, ehe sie die Brenner
erreicht, vorerwärmt. Weiterhin ist eine Kammer 13 vorgesehen, derenOberseite mit Hilfe eines Deckels abgedeckt ist, so daß
die Kühlluft von der Kammer 11 durch die in den Schachtwänden
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vorgesehenen Kanäle gezogen, und zwar durch die erste Hälfte
nach oben und die zweite Hälfte nach unten und weiter zu den nächsten Kammern 14, die Öl- oder Gasbrenner 15 aufweisen.
Aus der in der Brennzone angeordneten Kammer 16 werden die Rauchgase mit Hilfe von Verbindungsrohren 17 zu dem Abgasringkanal
10 abgesaugt. Die Kammer 19 weist in einer Hälfte abgedeckte Gaskanäle auf, so daß Luft in entgegengesetzter
Richtung zum Heizzyklus nicht eingesaugt werden kann. Bei der offenen Kammer 20 werden die gebrannten Kohlenstoffkörper
entfernt und die grünen Kohlenstoffkörper eingesetzt. Der Gaswäscher
und der Kamin sind nicht dargestellt.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung den Gasfluß in einer Brennzone eines Kammerringofens entsprechend einem einfacheren
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Luft 21 tritt an der
linken Seite in die Kammer ein und wird über die Gaskanäle nach unten in den Raum 4 unter den Boden der Schächte 1 gezogen
und über Kanäle zu der nächsten Kammer geführt, die mit einer Abdeckplatte.22 versehen ist, die einen Raum 24 abschließt.
Hier werden die Rauchgase durch die Kanäle in der ersten Hälfte der Kammer nach oben und durch die Schachtwände in
der anderen Hälfte nach unten und daraufhin weiter zur nächsten Kammer gezogen.
Fig. 5 stellt einen Längsschnitt einer Schachtwand dar, in der die Rauchgase über Gaskanäle der Gruppe 7 nach oben und
über Gaskanäle der Gruppe 8 nach unten gezogen werden. Unter dem Schacht wird mit Hilfe einer Zwischenwand 6 der Raum 4
in zwei Teile unterteilt. Über den Kammerwänden 9 ist die durchgeschnittene Abdeckplatte 22 dargestellt, die den Raum
24 über der Schachtwand abdichtet.
Fig. 6 stellt einen Querschnitt eines Teils einer Ofenkammer dar, wobei vier Schachtwände 2 im Schnitt gezeigt sind. In
einem der Schächte sind drei Kohlenstoffkörper 23 vorgesehen.
Über jeder Schachtwand befindet sich ein Raum 24, der die beiden Gruppen von Gaskanälen verbindet, die in der Schachtwand
vorgesehen sind. Dabei ist zu beachten, daß, falls über jeder Schachtwand 2 ein solcher Raum 24 vorgesehen ist, kein
gemeinsamer Deckel über der Kammer angeordnet ist.
Infolge der Trennwand 6, die den Raum 4 in zwei Teile unterteilt, fließen die Rauchgase in der gleichen Schachtwand auf
und ab.
Das Wesen der Erfindung ist somit im Entfernen der Brennkam-0 mern zu sehen, durch die bei einem bekannten Kammerringofen
die Rauchgase an die obere Seite der Schächte strömen und in die üblicherweise der Brennstoff eingeführt wird. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Gas mit Hilfe einer im Raum unterhalb der Schächte vorgesehenen dichten Zwischen-5
wand durch die eine Hälfte der Schachtwände geführt. Unter dem Deckel bzw. der Abdeckplatte werden die Gase abgelenkt
und strömen dann wieder den Ofen hinab, jedoch diesmal auf der anderen Seite der dichten Trennwand 6. Von hier aus gelangen
die Gase weiter zur nächsten Kammer.
Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile.
Der Gebrauchswert des Ofens ist erheblich größer, da das Volumen der Brennkammern für die Schächte herangezogen werden
kann. Auf diese Weise nimmt die Kapazität des Ofens zu. Durch Verringerung des Volumens an feuerfesten Ziegeln pro
hergestellte Einheit wird der Energieverlust zu den feuerfesten Materialien reduziert, was Brennstoff einspart.
Die Gasgeschwindigkeit durch die Kammern nimmt zu. Dies resultiert
in einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung in der Kammer, was die Gefahr von Rissen in den Kohlenstoffkörpern
verringert. Dies macht es möglich, die Brennzone in kurzen Zeitabständen zu versetzen, was wiederum die Kapazität
des Ofens vergrößert.
Ferner erlaubt dieses Verfahren eine bessere Lokalisierung der Brennstoffeinspritzung. Dies ermöglicht eine bessere
Kontrolle des Temperaturzykluses,'was wiederum zu einer gleichmäßigeren Kalzination der Kohlenstoffkörper führt
und bessere Möglichkeiten schafft, den Heizzyklus schneller zu durchlaufen, was ebenso einer Zunahme der Kapazität dient.
Es ist verständlich, daß ein erfindungsgemäßer Ofen mit Vorteil
in Verbindung mit allen indirekten Erwärmungsarten von Formungen, die von einem besonderen Material umgeben werden,
oder eines besonderen Materials allein, Verwendung finden kann,
Claims (6)
1. Kammerringofen mit einer Anzahl von in Reihe verbundener Kammern, die jeweils eine Anzahl von parallel verbundenen
Schächten (1) aufweisen, wobei die Wände (2) der Schächte (1) senkrechte Kanäle (3) für die Rauchgase einschließen,
dadurch gekennzeichnet , daß die Kanäle (3) in jeder Schachtwand (2) in zwei Gruppen (7 und 8) mit Hilfe
von unter dem Boden des Schachtes vorgesehenen Zwischenwänden (6) unterteilt sind.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in jeder Schachtwand (2) vorgesehenen Kanäle
(3) in zwei Gruppen (7 und 8) mit Hilfe einer in dem unter jedem Schacht befindlichen Raum (4) vorgesehenen Trennwand
(6) unterteilt sind.
3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in jeder einzelnen Schachtwand (2) vorgesehenen
Kanäle (3) über di<i Schachtwand (2) in einen oder mehrere
separate Räume (1) hinausführen, der bzw. die zwei benachbarte
Gruppen in dieser Schachtwand (2) verbinden.
4. Verfahren zum Betrieb eines Kammerringofens gemäß den
Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Brennstoff ganz oder teilweise in den Raum oberhalb
oder unterhalb der Schächte und/oder ganz oder teilweise in den Raum (24) über jeder Schachtwand (2) eingespritzt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung mit unzureichender
Luft in dem Raum oder den Räumen durchgeführt wird, in die der Brennstoff eingespritzt wird, und daß mehr Luft in einen
oder mehrere nachfolgende Räume in Richtung der Rauchgasströmung hinzugefügt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die
Rauchgase gezwungen werden, in jeder Kanalgruppe (7, 8) in gleiche Richtung zu strömen und nacheinander durch alle
Gruppen ?u fließen.
SAD
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