DE4108744C1 - Gas heating jacketed regenerator with heat storage medium - has central chamber surrounded by layer of pebbles or granular material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Regeneratoren werden für die Erhitzung von Gasen auf Temperaturen über 800°C verwendet. Dabei wird Wärmeenergie zunächst auf ein Speichermedium übertragen, dieses danach durch Einblasen von Kaltgas wieder abgekühlt, wobei es auf diese Weise erhitzt wird. Für eine kontinuierliche Erhitzung von Gasen müssen mindestens zwei Regeneratoren vorhanden sein, von denen der eine jeweils beheizt wird und damit Wärme speichert, während der zweite gespeicherte Wärme an eingeblasenes Kaltgas abgibt und dieses erwärmt.

So ist es heutzutage beispielsweise im Hochofenbetrieb üblich, Heizwind mit einer Temperatur von 1200°C zu erzeugen. Dies bedeutet in der Praxis, daß zur Erreichung dieser Temperatur in der Heizphase die Verbrennung so geführt werden muß, daß eine theoretische Flammentemperatur von ca. 1500°C gegeben ist. Dies ist jedoch deshalb unbefriedigend, weil dieses Temperaturniveau nicht mehr mit dem im Hochofen erzeugten Gichtgas erreicht werden kann, da die Maßnahmen zur Erhöhung der Gasausnutzung und damit zur Senkung des Koksverbrauches derart erfolgreich waren, daß in der Regel ein Gichtgas mit einem Heizwert unter 3000 KJ/Nm anfällt. Mit einem solchen Gas läßt sich nur eine theoretische Flammentemperatur von wenig mehr als 1000°C erreichen, es ist daher die zusätzliche Verfeuerung von Erdgas in beträchtlichem Umfange notwendig und üblich.

Es hat nun in den zurückliegenden Jahren nicht an Vorschlägen gemangelt, die diesen Nachteil beheben sollten. Der grundsätzliche Weg zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Regeneratoren ist bekannt. Er führt im Prinzip zu einer drastischen Vergrößerung der Oberfläche des Speichermediums, die im bevorzugten Fall erreicht wird durch den Ersatz des üblichen Gittermauerwerks eines Speichermediums durch ein Schüttgut möglichst einheitlicher Körnung, wie es beispielsweise durch Pelletieren erzeugt werden kann. Ein solcher Regenerator ist in der US-PS 22 72 108 beschrieben, insbesondere auch das aus Pellets bestehende Speichermedium.

Nach dieser Druckschrift sollen die Pellets eine durchschnittliche Dicke bzw. einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 2 bis 12,5 cm aufweisen, wobei weiter vorgeschlagen wird, Pellets unterschiedlicher Größe in unterschiedlichen Bereichen des Speichermediums bezüglich des Eintritts der heißen Gase in dieses bzw. des Austritts der heißen Gase aus diesem heraus anzuordnen.

Nachdem die Pellets jedoch als Schüttgut zwischen zylindrischen Wandungen verhältnismäßig großer Höhe angeordnet sind und diese Wände Öffnungen für den Durchgang der Heizgase einerseits und des zu erhitzenden Kaltgases andererseits aufweisen, ist die Größe der Pellets auch in Abhängigkeit dieser Öffnungen zu wählen, insbesondere ist selbstverständlich zu verhindern, daß die Pellets durch diese Öffnungen hindurchfallen.

Hierbei stellt die größenmäßige Ausbildung der Öffnungen in der aus Stahl hergestellten äußeren zylindrischen Wandung kein Problem dar, hier können die Öffnungen verhältnismäßig klein ausgebildet werden.

Problematisch ist dagegen die Ausbildung solcher Öffnungen in der inneren zylindrischen Wandung, diese kann nämlich nicht aus Stahl hergestellt werden, da sie von den Heizgasen mit einer zu großen Hitze beaufschlagt wird und nicht standhalten würde. Aus diesem Grunde ist diese zylindrische Wandung aus einem hoch hitzebeständigen, beispielsweise keramischen Material hergestellt, wie es aus der EP-OS 03 73 450 bekannt ist, wobei es Schwierigkeiten bereitet, besonders kleine Öffnungen in einem solchen nur Druckbelastungen standhaltenden Material vorzusehen. Da die Öffnungen in einer solchen Wandung deshalb verhältnismäßig groß sind, müssen folglich auch die Abmessungen der Pellets entsprechend groß gewählt werden.

Andererseits wird aber der Wirkungsgrad des Regenerators naturgemäß entscheidend von der Korngröße der Schüttung beeinflußt. So läßt sich in der Tat mit Pellets handelsüblicher Größe im Bereich von 5 bis 15 mm Durchmesser die für den Wärmetausch wirksame Oberfläche im Vergleich zur früher bekannten Gittermauerung bzw. zu den vorbeschriebenen Pellet-Größen nach der US-PS 22 72 108 derart erhöhen, daß nur noch eine unbedeutende Temperaturdifferenz zwischen Speicherteilchen einerseits und Gasen andererseits besteht. Aus dem Einfluß des Speicherteilchendurchmessers auf den Wärmeübergang und den Druckverlust läßt sich mathematisch herleiten, daß dieser in der Schüttung auf extrem kleine Werte gesenkt werden kann, wobei es aber offensichtlich ist, daß die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeiten an andere Grenzen stößt, die hier nicht weiter erläutert werden sollen. Wesentlich ist jedoch, daß mit der Kombination aus großer Rostfläche, niedriger Betthöhe bzw. -dicke und kleinem Speicherteilchendurchmesser der Wärmeübergang bei gleichzeitig geringer Temperatur- und Druckdifferenz erreichbar ist, was zu einem wesentlich verbesserten Temperaturverhalten des Regenerators führt.

Um Pellets von möglichst kleinem Durchmesser verwenden zu können, wäre es ideal, einen Schüttgutgenerator herzustellen, welcher von gegenüber bekannten Hochofenwinderhitzern nur eine verhältnismäßig geringe Höhe, dafür aber einen wesentlich größeren Durchmesser und damit eine sehr große Grundfläche aufweist, welche Öffnungen für die durchzuführenden Gase aufweist und auf welcher das Schüttgut aus möglichst kleinen Pellets, jedoch mit niedriger Betthöhe aufliegt. Von der Verwirklichung einer solchen Lösung nimmt man aber Abstand, denn ein so ausgebildeter Regenerator würde eine verhältnismäßig große Kuppel aufweisen, welche nur mit sehr aufwendigen Mitteln mit einer Temperatur-Isolierung ausgekleidet werden könnte, auch würde es Schwierigkeiten bereiten, eine Schüttgutschicht in notwendiger konstanter Dicke herzustellen und eim Einblasen des Heizgases bzw. des Kaltgases aufrechtzuerhalten, wie sie für den Betrieb eines solchen Schüttgutgenerators notwendig wäre. Schließlich ist auch der verhältnismäßig große Rauminhalt der Kuppel eines solchen Schüttgutgenerators von Nachteil, da er erhöhte Gasverluste beim Umschalten zur Folge hat, auch wäre der Wärmeverlust der großen Kuppelfläche, welche ständig die Maximaltemperatur aufweist, nicht mehr zu vernachlässsigen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Regenerator gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs und insbesondere hinsichtlich der besonders hohen Temperaturen ausgesetzten inneren zylindrischen Wandung so auszubilden, daß als Speichermasse Pellets von besonders kleinen Abmessungen verwendet werden können, wobei die innere zylindrische Wandung bereits selbst die Vorteile solcher besonders kleinen Pellets in bezug auf den Wärmetausch aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die einzelnen Bausteine einen Hohlraum aufweisen, welcher sich in den Zwischenraum Raum mit dem Wärmespeichermedium öffnet, wobei der Hohlraum mit einem besonders feinkörnigen Schüttgut ausgefüllt ist und eine, ausgehend von der dem Innenraum zugewandten Wandung des Bausteines in den mit Schüttgut ausgefüllten Hohlraum hineinreichende Sacklochbohrung vorgesehen ist.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung des Bausteines gewährleistet, daß der nicht unmittelbar zur Wärmeübertragung bzw. zum Wärmetausch dienende Materialanteil der einzelnen Bausteine bzw. der gesamten, aus solchen Bausteinen zusammengesetzten innerenWandung verhältnismäßig gering ist, weiterhin durch die vorgesehene Sacklochbohrung die Heizgase bzw. die aufzuheizenden Kaltgase verhältnismäßig widerstandslos in das Schüttgut eindringen und den Wärmetausch vornehmen können. Insbesondere gewährleistet diese Bausteinausbildung aber, daß durch die dadurch möglich gewordene Verwendung von Speicherteilchen mit vorteilhaft sehr kleinen Abmessungen der von solchen Teilchen freie Raum minimal ist und damit Gasverluste beim Umschalten gering werden.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen nachstehend näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schüttgut-Regenerator mit einem Regenerator-Gefäß in Form einer Kugel,

Fig. 2 einen Schüttgut-Regenerator mit einem Regenerator-Gefäß in Form eines Zylinders und

Fig. 3 einen die innere Wandung bildenden Baustein.

Der in den Figuren dargestellte Schüttgut-Regenerator weist ein Gehäuse 1 auf, wlches, wie in Fig. 1 dargestellt, von der Form einer Kugel, oder, wie in Fig. 2 dargestellt, von der Form eines aufrechtstehenden Zylinders sein kann.

Der Innenraum des Gehäuses 1 ist im wesentlichen durch zwei zylindrisch ausgebildete und in einem Abstand voneinander konzentrisch angeordnete Wandungen 2 bzw. 3 in einen ringförmigen Sammelraum 4, einen das schüttgutförmige Speichermedium 5 aufnehmenden hohlzylinderförmigen Zwischenraum 6 und einen zylindrischen Innenraum 7 unterteilt.

Im ausgemauerten Bodenbereich 8 des Gehäuses 1 sind Zuführungen 9 für die Heizgase oder eventuelle Brennvorrichtungen vorgesehen, auf diesem Bodenbereich 8 steht die den Innenraum 7 bildende innere zylindrische Wandung 3, welche im oberen Bereich des Gehäuses 1 in einen Auslaß 10 mündet, aus welchem die aufgeheizten Kaltgase austreten.

Der Sammelraum 4 ist mit verschließbaren Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 11 bzw. 12 versehen, durch welche die aufzuheizenden Kaltgase in das heiße Speichermedium eintreten bzw. die Heizgase nach der Wärmeabgabe an das Speichermedium austreten.

Die äußere Wandung 2 besteht aus einem herkömmlichen Stahl-Rost, welcher entsprechend klein dimensionierte Öffnungen 13 aufweist, so daß die das schüttgutförmige Speichermedium bildenden Pellets nicht durch diese Öffnungen 13 hindurchtreten können.

Die innere Wandung 3 besteht im wesentlichen aus einzelnen Bausteinen 14, hierzu wird auf Fig. 3 verwiesen, welche eine vergrößerte und perspektivische Darstellung eines solchen Bausteines zeigt.

Die aus solchen Bausteinen 14 hergestellte innere Wandung 3 muß hoch hitzebeständig sein, eine Verwendung metallischer Baustoffe kommt deshalb nicht in Frage.

Bevorzugt wird ein keramisches Material verwendet, wobei die massiven, also keine Duchlässe aufweisenden Teile des einzelnen Bausteines möglichst gering im Verhältnis zu dessen Gesamtvolumen ausgebildet sein sollen.

Dazu weist der in Fig. 3 abgebildete Baustein 14 einen Hohlraum 15 auf, welcher nach allen Seiten des Bausteines 14 durch die jeweiligen keramischen Wandungen abgeschlossen ist, mit Ausnahme derjenigen Wandung 16, welche sich in den mit dem schüttgutförmigen Speichermedium 5 versehenen Zwischenraum 6 erstreckt. Dieser Hohlraum 15 ist mit besonders feinkörnigem Schüttgut 17 ausgefüllt, wobei die Pellets dieses Schüttguts mit einem hitzebeständigen Kleber untereinander verfestigt und gegen Herausfallen aus dem Baustein 14 gesichert sind.

Die der Wandung 16 gegenüberliegende Wandung 18, welche sich in den zylindrischen Innenraum 7 des Regenerators erstreckt, weist eine Sacklochbohrung 19 auf, welche sich verhältnismäßig weit in den mit Pellets 17 ausgefüllten Hohlraum 15 erstreckt und den Eintritt der Heizgase in das Speichermedium bzw. den Austritt der aufgeheizten Kaltgase in den Innenraum 7 des Regenerators erlaubt.

Der zylinderringförmige Zwischenraum 6, welcher das aus Pellets bestimmter Abmessungen bestehende und das Speichermedium bildende Schüttgut aufnimmt, weist an seinem oberen Ende Einlässe 20 zum Nachfüllen von Schüttgut auf, am unteren Ende des Regenerators sind Auslässe 21 vorgesehen.

Vorteilhaft weist der Baustein 14 gemäß Fig. 3 eine teilweise konische Form auf, nämlich die Breite b der Wandung 18 auf der Innenseite ist geringer als die Breite B der Wandung 16 auf der Außenseite. Höhe H und Länge L des Bausteines 14 sind auf allen Seiten gleich.

Diese vorbeschriebene Ausbildung insbesondere der inneren Wandung 3 des Regenerators erlaubt nun die Verwendung von Pellets im Zwischenraum 5 von besonders kleinen und bisher nicht möglichen Abmessungen, dies deshalb, da ein einwandfreier Übertritt der Heizgase einerseits bzw. der aufzuheizenden Kaltgase andererseits in das Speichermedium gewährleistet wird.

Der Betriebsvorgang dieses energieoptimierten Regenerators stellt sich wie folgt dar.

Nachdem durch die Einlaßöffnungen 20 der Zwischenraum 6 vollständig mit Pellets ausgefüllt ist, werden durch die Öffnungen 9 bzw. dort eingebaute Brenner Heizgase eingeleitet bzw. erzeugt, welche in den Innenraum 7 des Regenerators einströmen, wobei die Auslaßöffnung 10 des Innenraumes 7 geschlossen ist. Die Heizgase treten durch die Bohrungen 19 in die mit sehr kleinen Pellets gefüllten Innenräume der Bausteine 14 und weiter in den mit Pellets ausgefüllten Zwischenraum 6 ein und heizen das Speichermedium 5 auf. Danach verlassen die Heizgase das Speichermedium durch die Öffnungen 13 in der rostförmigen Wandung 2 in den Sammelraum 4 und verlassen diesen durch die Auslaßöffnung 12.

Nach Beendigung der Aufheizphase wird der Regenerator "umgeschaltet", d. h. die Einlaßöffnungen 9 werden geschlossen bzw. die dort befindlichen Brenner abgeschaltet, die Auslaßöffnung 12 wird geschlossen und anschließend die Einlaßöffnung 11 für die aufzuheizenden Kaltgase geöffnet. Das Kaltgas strömt nun in den Sammelraum 4 und von dort durch die Öffnungen 13 in der Wandung 2 in das heiße Speichermedium 5, erhitzt sich dort und tritt durch die Bausteine 14 und deren Bohrungen 19 in den Innenraum 7 ein und wird von dort durch die Auslaßöffnung 10 abgeleitet.

Dieser Regenerator zeigt mehrere Vorteile, nämlich zunächst kommt das die Außenwand bildende Gehäuse 1 des Regenerators fast nur mit kalten Gasen in Berührung, dadurch sind die Wandverluste an Wärmeenergie minimal, die Ausbildung einer besonderen Kuppel ist bei einem solchen Regenerator-Gefäß nicht erforderlich. Insbesondere ist aber der von Speicherteilchen freie Raum minimal, wodurch Gasverluste beim Umschalten gering werden.

Claims (6)

1. Regenerator zum Aufheizen von Gasen mit einem zwischen zwei im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten und in einem Abstand voneinander konzentrisch angeordneten Wandungen vorgesehenen Zwischenraum, in dem ein aus einem Schüttgut bestehendes Wärmespeichermedium angeordnet ist, wobei die äußere Wandung aus einem Stahlrost besteht und die innere Wandung aus Bausteinen zusammengesetzt ist, welche aus hoch hitzebeständigem, beispielsweise keramischem Material bestehen und Durchlässe aufweisen und wobei zwischen der äußeren Wandung einerseits und dem Gehäuse des Regenerators andererseits ein Sammelraum eingeschlossen ist, und wobei der Sammelraum, der das Wärmespeichermedium aufnehmende Zwischenraum und der von der inneren Wandung eingeschlossene Innenraum Ein- bzw. Auslässe für den Zu- bzw. Austritt von Gasen und/oder Schüttgut aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bausteine (14) einen Hohlraum (15) aufweisen, welcher sich in den Zwischenraum (6) mit dem Wärmespeichermedium (5) öffnet, wobei der Hohlraum (15) mit einem besonders feinkörnigen Schüttgut (17) ausgefüllt ist und eine, ausgehend von der dem Innenraum (7) zugewandten Wandung (18) des Bausteines (14) in den mit Schüttgut (17) ausgefüllten Hohlraum (15) hineinreichende Sacklochbohrung (19) vorgesehen ist.

2. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttgut (17) im Hohlraum (15) durch einen hitzebeständigen Kleber verfestigt ist.

3. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite b der Wandung (18) auf der Innenseite des Bausteines (14) kleiner ist als die Breite B der Wandung (16) auf der Außenseite.

4. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) des Regenerators die Form eines stehenden Zylinders aufweist.

5. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) des Regenerators die Form einer Kugel aufweist.

6. Regenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) des Regenerators die Form eines Doppelkegelstumpfes aufweist.