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Anlage zur Erzeugung von Heißluft und Heißwasser bzw. Dampf zwecks
Verwertung der in Abgasen enthaltenen Wärme Die Erfindung betrifft eine Anlage zur
Erzeugung von Heißluft und Heißwasser bzw. Dampf unter Verwertung der in den Abgasen
von Industrieöfen bzw. Schachtöfen, insbesondere Kupolöfen, enthaltenen fühlbaren
und latenten Wärme, wobei ein heißwinderzeugender Rekuperator und ein Wärmeaustauscher
zur Heißwasser-bzw. Dampferzeugung im Abgasstrom parallel zueinander angeordnet
sind.
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In dem Maße, in dem die Klimatisierung bzw. Belüftung von eisenerzeugenden
bzw. -verarbeitenden Betrieben, insbesondere Gießereien, im Interesse der Gesunderhaltung
der hier beschäftigten Menschen gefördert wird, gewinnt die gesamte Wärmewirtschaft
dieser Betriebe weiter an Bedeutung. Wenn man auch, z. B. in Gießereien, schon seit
längerem die in den Abgasen der Kupolöfen noch enthaltene Wärme zum Teil zur Erzeugung
von Heißwind für den Ofenbetrieb ausnutzt, so ist die Wärmeausnutzung doch meistens
sehr unvollkommen, weil einerseits fast immer mehr Abwärme zur Verfügung steht,
als für die Heißwinderzeugung benötigt wird, andererseits aber für die Beheizung
der Räume und besonders zur Erwärmung der in diese einzuführenden Frischluft meistens
Dampf aus einem besonderen Kesselhaus gebraucht wird. Es ist schon vorgeschlagen
worden, die in den Abgasen enthaltene Wärme - soweit
sie nicht
für die Erzeugung von Heißwind für den Ofenbetrieb selbst benötigt wird - beispielsweise
in Verbindung mit einem Gefällespeicher für Heizungszwecke zu verwerten. Dabei hat
man die Wärmeaustauscher zur Erzeugung des Heißwassers so angeordnet, daß sie mit
den Rekuperatoren für die Heißwinderzeugung ganz oder teilweise hintereinandergeschaltet
sind. Bei einer derartigen bekannten, nach dem Wärmebedarf des Abhitzekessels gesteuerten
Anlage kann die Windtemperatur nur konstant gehalten werden unter Abblasen der überschüssigen
Gichtgasmenge aus der Gicht des Ofens, so daß hierbei noch keine vollständige Erfassung
der gesamten anfallenden Abgasmenge zwecks wirtschaftlicher Verwertung erfolgt.
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Außerdem ist auch schonvorgeschlagen worden, die Abgase zur Beheizung
von Dampferzeugern zu verwenden.
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Der Nachteil der Verwendung von Dampfkesseln besteht aber im wesentlichen
darin, daß meistens der jeweilige Wärmebedarf mit der anfallenden Wärmemenge nicht
übereinstimmt, so daß man auch schon vorgeschlagen hat, zur Behebung dieser Schwierigkeit
Wärmespeicher einzuschalten. Trotzdem besteht bei den bekannten Anlagen immer noch
der Nachteil, daß entweder die aus dem Ofen austretenden -Abgase nicht zu jeder
Zeit restlos ausgenutzt werden können oder daß zu gewissen Zwischenzeiten nicht
genügend Wärme zur Verfügung steht.
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Ziel der Erfindung ist es nun, die gesamte Wärmewirtschaft derartiger
Betriebe durch vollständige Verwertung der in den gesamten Abgasen enthaltenen freien
und gebundenen Wärme und notwendigenfalls durch sinnvolle Verwendung zusätzlicher
Wärmequellen zu verbessern. Wenn man bisher im wesentlichen zu diesem Zweck die
Abgase zur Beheizung entweder von Dampferzeugern oder von Heißwinderzeugern benutzt
hat, wobei im letzteren Falle die in den. Heißwinderzeugern nicht restlos ausgenutzte
Wärme der durch dieselben hindurchgeleiteten Abgasmengen noch zusätzlich in Wärmeaustauschern
für die Warmw assererzeugung ausgenutzt werden sollte, so wird durch die Erfindung
ein System geschaffen, nach welchem in jedem Augenblick die Abgaswärme möglichst
restlos einer nutzbringenden Verwendung zugeführt werden kann, und zwar unabhängig
von den mengenmäßigen Schwankungen der anfallenden Gase. Dabei soll jedoch in jedem
Betriebszustand die Heißwindtemperatur unabhängig von Schwankungen in den übrigen
Betriebsverhältnissen konstant gehalten werden können.
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Das erfindungsgemäße System ist besonders vorteilhaft anwendbar in
Verbindung mit Kupolöfen in Gießereien, kann aber genau so gut auch für entsprechende
Anlagen wie Schachtöfen verschiedenster Art oder Umschmelzöfen und dergleichen Anwendung
finden, gegebenenfalls in naheliegenden, zweckmäßigen Abwandlungen.
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Die Erfindung besteht nun zunächst darin, daß die Aufteilung der gesamten
anfallenden Abgasmenge auf den Heißwindrekuperator einerseits und den Heißwasser-
bzw. Dampferzeuger andererseits in Abhängigkeit von der nach Bedarf einstellbaren
konstant zu haltenden bzw. zu regelnden Heißwindtemperatur erfolgt.
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Zu diesem Zweck können in Abhängigkeit von der Heißlufttemperatur
automatisch regelbare Verteilungseinrichtungen eingebaut sein.
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Infolge dieser regelbaren Abgasmengenaufteilung kann in jedem Augenblick
die gesamte anfallende Abgasmenge ausgenutzt werden. Man kann dabei auch die Abgase,
die den Heißwindrekuperator durchströmen, nachdem sie hier einen großen Teil ihrer
Wärme abgegeben haben, noch in die niedrigste Stufe des Heißwasser-Wärmeaustauischers
einführen, damit hiier noch die Restwärme zur Erwärmung des kalten Wassers mit ausgenutzt
wird. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich dann, daß im Prinzip der Parallelschaltung
von Heißwinderzeuger und Heißwasser-Wärmeaustauscher noch ein für beide Zweige gemeinsamer
Wärmeaustauscher vorzugsweise zur Wasservorwärmung nachgeschaltet ist.
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Zur Erzeugung des Heißwassers bzw. zur Durchführung einer gewissen
Verdampfung können die verschiedensten Bauarten von Wärmeaustauschern verwendet
werden, so z. B. Rippenrohrvorwärmer, Schlangenvorwärmer oder Vorverdampfer, alle
in an- sich bekannter Bauweise.
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Um die in den Abgasen gegebenenfalls enthaltene gebundene Wärme frei
zu machen, ist es an sich bekannt, die Gase zunächst in einer Verbrennungskammer
zum Ausbrennen gelangen zu lassen, bevor sie in die Wärmeaustauscher eingeführt
werden. Im weiteren Ausbau der Erfindung wird nun zur Verbrennung der Abgase dem
parallel geschalteten System von heißluft- und heißwasser-bzw. dampferzeugenden
Wärmeaustauscher eine mit wassergekühlten Flächen ausgerüstete Verbrennungskammer
vorgeschaltet. Diese wassergekühlten Flächen können beispielsweise durch Rohre gebildet
werden, die von Wasser im Zwang-oder Naturumlauf oder auch im Zwangdurchlauf durchflossen
werden. Hierdurch wird erreicht, daß die Temperatur der Verbrennungsprodukte vor
dem Eintritt in die nachgeschalteten Wärmeaustauscher so weit abgebaut sein kann,
d@aß in diesen keine unzulässige Materialbeanspruchung stattfindet. Außerdem ergibt
sich hierdurch der Vorteil, daß die Temperatur des von dem heißwassererzeugenden
Wärmeaustauscher kommenden Wasser weiter erhöht werden bzw. das Wasser in den Kühlflächen
der Verbrennungskammer verdampft wenden kann. Darüber hinaus eröffnet sich durch
diese Maßnahme die Möglichkeit, die Feuerraumbelastung der Brennkammer wesentlich
zu erhöhen und die Brennkammer selbst wirksam als Entstauber auszubilden.
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Mit Rücksicht auf die starken Schwankungen in der Menge der zur Verfügung
stehenden Abgase und damit der erzeugten Heißwasser- bzw. Dampfmengen wird diesem
heißwasser- bzw. dampferzeugenden System zweckmäßig ein Wärmespeicher
nachgeschaltet,
von dem aus dann in an sich bekannter - Weise die Wärmeverbraucher des Betriebes,
wie z. B. Heizungen, Klimaanlagen, Wärmeaustauscher für die Warmwasserversorgung
usw., gespeist werden.
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Insbesondere wenn die Möglichkeit besteht, daß trotz der restlosen
Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärme und deren zweckmäßiger Verteilung
durch zwischengeschaltete Wärmespeicher zeitweise der Wärmebedarf des Betriebes
hierdurch nicht ausreichend gedeckt werden kann, ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße
System noch dahingehend zu erweitern, daß man die Verbrennungskammer mit einer Zusatzfeuerung
ausrüstet in Form einer Rost-, Kohlenstaub-, Öl- oder Fremdgasfeuerung. In diesem
Fall. kann man sogar unter Umständen auf die Einschaltung eines Wärmespeichers verzichten,
vorausgesetzt, daß der Wärmebedarf des Betriebes so groß ist, daß die aus den Abgasen
gewonnene Wärme immer sofort verbraucht wird. An sich ist es nicht unbedingt notwendig,
die Zusatzfeuerung in der Verbrennungskammer selbst anzubringen; man kann auch zu
der Verbrennungskammer, in welcher die latente Wärme der Abgase entbunden wird,
eine besondere Verbrennungskammer zur zusätzlichen Heißwasser- oder Dampferzeugung
mit Fremdbeheizung parallel schalten. An sich hat man schon Heißwind-Kupolofenanlagen
gebaut, bei denen in Ergänzung zu der Beheizung eines Rekuperators mittels Ofenabgasen
in die Brennkammer oder die zum kekuperator führende Leitung Gas- oder Ölzusatzbrenner
eingebaut wurden. Dies geschah jedoch nur zur Vorwärmung der Anlage oder zum Zwecke
der Regelung der Heißwindtemperatur und nicht, um, wie gemäß der vorliegenden Erfindung,
eine über den Wärmebedarf für die Heißwinderzeugung hinausgehende Wärmemenge zu
erzeugen.
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Ein besonderer Vorteil der Erweiterung der Erfindung durch die Zusatzbeheizung
der Verbrennungskammer ergibt sich hinsichtlich der Flugkoks-und Staubabscheidung
aus den Abgasen.
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Wenn man zum Beispiel zwischen der Verbrennungskammer und dem Wärmeaustauschersystem
den von den Abgasen mitgeführten Staub abscheidet, so kann man diesen gegebenenfalls
in der Feuerung der Verbrennungskammer zum Einschmelzen bringen, so daß man - wie
es an sich bei Dampfkesseln bekannt ist - den eingeschmolzenen Flugstaub in Form
von flüssiger Schlacke abzieht, die dann ihrerseits wieder den verschiedensten Verwendungszwecken,
z. B. in Verbindung mit der Kupolofenschlacke zugeführt werden kann.
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Die Verbrennungskammer kann man mit dem Rekuperator fürr die Heißwimderzeugung
und dem Wärmeaustauscher für die Warmw.assererzeugung bzw. Verdampfung vorteilhaft
zu einem Aggregat zusammenbauen. Für die Durchführung der Verbrennung in der Brennkammer
kann man. ferner, wie es, an sich bei Hevßwinderzeugun,gsanlagen für Kupolöfen bekannt
ist, auch einen Teil des Heißwindes, der in dem Rekuperator erzeugt ist, verwenden.
Im weiteren Ausbau der Erfindung erscheint es dann noch vorteilhaft, dem Rekuperator
für die Heißlufterzeugung luftseitig einen dampf- oder w armwasserbeheizten Luttvorwärmer
vorzuschalten, welcher z. B. mit dem Wärmespeicher entnommenen Dampf zu beheizen
ist. Unter Verwendung einer Umgehungsleitung für den Rekuperator kann man auf diese
Weise außerdem die Anfahrzeit für den Kupolofen wesentlich herabsetzen, weil mit
Hilfe des dampf- oder w armwasserbeheizten Vorwärmers schon vom Beginn des Anheizens
ab Warmluft zur Verfügung gestellt werden kann. Falls die Höhe der Temperatur des
in dem Heißwindrekuperator erzeugten Heißwindes den heute oft gestellten Anforderungen
nicht entspricht, kann man eine weitere Temperaturerhöhung auch durch Kombination
mit einem Regenerativlufterhitzer, der mit nicht vorgekühlten Abgasen beheizt ist,
erzielen, oder man kann die heiße Luft vor der Einleitung in den Kupolofen auch
zusätzlich zwecks weiterer Erhitzung durch entsprechende in die Brennkammer einzubauende
Kanäle leiten, die dann zu diesem Zweck aus entsprechend hätte= beständigem Material
hergestellt sein, müssen,.
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Falls mehrere Öfen, z. B. Kupolöfen, vorhanden sind, die z. B. umschichtig
betrieben werden, ist es vorteilhaft, nicht für jeden Ofen eine vollständige erfindungsgemäße
Anlage zur Abwärmeverwertung aufzustellen, sondern .der Lage der Betriebszeiten
und den örtlichen Verhältnissen entsprechende zweckmäßige Kombinationen zu schaffen.
So kann man häufig für zwei Kupolöfen eine gemeinsame Abgasverwertungsanlage, oder,
wenn deren mehrere vorhanden sind, für diese insgesamt einen gemeinsamen Wärmespeicher
verwenden.
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In der Zeichnung ist en Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße
System schematisch dargestellt. Die von dem Kupolofen i kommenden Abgase werden
durch die Leitung a der Brennkammer 3 zugeführt, wo die in den Abgasen enthaltene
latente Wärme entbunden wird. Die Brennkammer 3 ist mit einem Röhrensystem q. ausgestattet,
welches sowohl im Naturumlauf als auch unter Einschaltung einer Pumpe im Zwangdurch-
oder -umlauf von Wasser durchströmt wind, so daß die Temperatur der Abgase hier
so weit erniedrigt :wird, daß sie den nachgeschalteten Einrichtungen nicht mehr
gefährlich werden kann. Hinter der Verbrennungskammer 3 befindet sich eine Entstaubungseinrichtung
5, die in an sich bekannter Weise beispielsweise als Zyklon- oder Elektro- oder
auch als Ultraschallentstauber ausgebildet sein kann. Der hier abgeschiedene Staub
wird entweder abgezogen und abtransportiert, oder, soweit er noch größere Mengen
brennbarer Bestandteile enthält, in der Verbrennungskammer ausgebrannt bzw., falls
die Verbrennungskammer mit flüssigem Schlackenabzug betrieben wird, in dieser mit
eingeschnnolzen. Die Abgase gelangen nun durch die Leitung 6 zur Verteilungsstelle
7. Hier findet erfindungsgemäß zunächst eine Aufteilung einerseits auf den Rekuperator
8 zur Heißwinderzeugung und andererseits zu dem wasserdurchflossenen Wärmeaustauscher
9
statt. Die Verteilungsklappe fo oder entsprechende Einrichtungen werden in Abhängigkeit
von der Heißwindtemperatur vor dem Eintritt des Heißwindes in den Kupolofen beispielsweise
an der Temperaturmeßstelle i i gesteuert, so daß der Kupolofen jederzeit Wind mit
einer automatisch geregelten Temperatur erhält. Die Abgase, deren Wärme in dem Rekuperator
8 weitgehend - ausgenutzt ist, können entweder ins Freie geführt oder auch durch
die Leitung 12 in eine der niedrigeren Stufen des Wärmeaustauschers 9 eingeführt
werden, damit sie hier gemeinsam mit den aus der ersten Stufe dieses Wärmeaustauschers
kommenden Abgasen zur Vorwärmung von Wasser benutzt werden. Durch die Leitung
13 gelangen die Abgase sodann. ins Freie, .wobei je nach Bedarf ein Saugzugventilator
oder auch eine Schornsteinanlage Verwendung finden kann. Das Frischwasser gelangt
durch die Leitung 14 in die unterste Stufe 15" des Wärmeaustauschers 9 und
dann über die Stufe 15b entweder direkt zu dem Wärmespeicher 16 oder/und zu den
Wärmeverbrauchern verschiedenster Art 17 oder auch zunächst in das Röhrensystem
q. der Verbrennungskammer. Soweit nicht schon im Teil i5b des Wärmeaustauschers
eine gewisse Verdampfung stattgefunden hat, wird im letzteren Fall das Wasser im
Röhrensystem 4 der Verbrennungskammer verdampft und wird der Dampf dem Wärmespeicher
16 bzw. den Wärmeverbrauchern 17 zugeführt. Durch die Leitung 18 kann der dem Rekuperator
im Bedarfsfall vorgeschaltete Luftvorwärmer ig mit Dampf bzw. Heißwasser, notwendigenfalls
unter Einschaltung einer Umwälzpumpe 2o, -versorgt werden, wodurch die dem Rekuperator
8 bzw. dem Kupolofen i zuzuführende Luft, die durch den Frischluftventilator 21
gefördert wird, vorzuwärmen ist. Je nachdem, ob das System ausschließlich mit Heißwasser
oder teilweise mit Dampfbetrieben wird, können an den entsprechenden Stellen die
notwendigen Förderpumpen eingebaut sein.