DE3605780C1 - Tunnel furnace for baking raw graphite electrodes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tunnelofen zum Brennen von Grafit­ rohelektroden. Grafitrohelektroden sind Halbfabrikate aus der Elektrografit- Elektrodenproduktion und werden nach Stand der Technik in Kassettenringöfen, oder z. T. in neuerer Zeit in Herd­ wagenöfen gebrannt. Die Standardtechnik, nämlich das Brennen der Elektroden in Kammerringöfen stellt einen aufwendigen Ver­ fahrensschritt bei der Elektrodenproduktion dar. Die Investitionen für die Erstellung von Öfen sind sehr hoch, und die Öfen unter­ liegen einem hohen Verschleiß durch die wandernden Feuer. Der Brennstoffaufwand wird branchenüblich mit 70 bis 120 l Heiz­ öl EL pro Tonne Elektroden angegeben. Obwohl im weiteren Sinne das Brennen von Kunstkohlekörpern als keramischer Verfahrensschritt bezeichnet wird, hat der Elektrodenbrand seine Besonderheiten. Schwierigkeiten macht die Feuerführung durch den Ausbrand der flüchtigen Kohlenwasserstoffe, jenem Teil des Bindemittels (vorzugsweise einem Steinkohlenteerpech), der nicht zum Binde­ mittelkoks umgewandelt werden kann. Die entweichenden "Flüchtigen" können zu einer unerwünschten Selbstzündung führen und somit eine materialschädigende Temperaturerhöhung verursachen. Das Problem ist sehr komplex und soll in dieser Erläuterung nur angedeutet werden. Ein weiteres, sehr problematisches Merkmal des Kammerringofens sind die Emissionen aus dem Elektrodenbrand.

Gemäß den Richtwerten der TA-Luft muß eine Rauchgasent­ sorgung vorgenommen werden. Stand der Technik ist dieEnt­ sorgung über Elektrofilter und Kondensatorabscheidung. Gemäß des Wirkungsprinzips von E-Filtern kann eine Restmenge an Kohlenwasserstoffemissionen nicht abgeschieden werden, da nur aufladbare Partikel beim E-Filterprinzip wirksam sind. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die zunächst noch den Schornstein verlassen, kondensieren später und stellen die Grenzen des E-Filters dar.

Eine thermische Nachverbrennung (TNV) ergibt die Möglichkeit alle Schadstoffe auszubrennen; jedoch ist das Betreiben einer TNV als Alternative, bedingt durch die hohen Abluftmengen eines Kammerringofens, eine Entsorgungsart, die bis zu 100% des eigentlichen Brennstoffbedarfs ausmachen kann. Die Technologie einer TNV hat sich in der Kunstkohleindustrie bisher nicht durchsetzen können.

Die Alternative Brennmethode ist das Brennen im Herdwagen­ ofen. Beim Herdwagenofenprinzip sind Fakten wie niedrigere Investitionen, kurze Brennzyklen, kurz geringerer Aufwand entscheidend für die Einführung dieser Chargenbrennweise ge­ wesen. Brennen imHerdwagenofen kann als die amerikanische Art Elektroden zu brennen bezeichnet werden. Der Chargenofen bringt andere Probleme als der Kammerringofen; jedoch das Emissionsproblem bleibt das gleiche. Zu erwähnen ist allerdings die Tatsache, daß ein Chargenbetrieb bei Massen­ produktion einen kontinuierlich arbeitenden Ofen nicht den Rang ablaufen konnte.

Zu dem ist der Brennstoffaufwand des Herdwagenofens wesent­ lich höher als der des Kammerringofens.

Der Erfindungsanspruch orientiert sich am vorhandenen Stand der Technik beim Betrieb von Tunnelöfen in der Keramik, hauptsächlich der Grobkeramik.

Als zu lösende Aufgabe sind zwei Hauptforderungen zu stellen:

• 1. Nutzung des Heizwertes der flüchtigen Kohlenwasserstoffe als Bestandteile des Bindemittels Pech oder einem Teer- Pechgemisch.
  Hierbei ist eine brennkurven-unschädliche Schwelgasab­ saugung über den entgasenden Elektroden durchzuführen und eine Überleitung in den Hochtemperaturbereich des Ofens vorzunehmen.
  Ein völliger Ausbrand der Schwelgase setzt eine Wärmemenge frei, die dem Bedarf der gesamten Brennkurve entspricht. Das heißt aus einer Tonne Grünelektrode gehen ca. 8% Gewicht durch die Abspaltung von brennbaren Kohlenwasserstoff­ verbindungen verloren. Rechnet man die 80 kg Pechmaterie auf Grund ihrer Molekularstruktur (Aromaten) mit niederem Heizwert, so kann trotzdem erwartet werden, daß in einem Wärmeverbund: Nutzung der Ausbrandstoffe und der sich ergebenden Kühlwärme, genügend Wärme freigesetzt werden kann, um "die Elektroden sich selbst brennen zu lassen".
• 2. Es ist eine Ofenkonstruktion zu finden und mit einer Brennzoneneinteilung so zu betreiben, daß nur Rauchgase den Ofen verlassen, die keiner Entsorgung gemäß der TA- Luft: organische Stoffe bei der Herstellung von Hartbrand­ kohle, mehr bedürfen.

Als eine weitgehende Forderung sind die Elektrodenglüh­ behältnisse so zu gestalten, daß diese eine hohe Ausbeute an Nutzinhalt pro abgetrennten m³ Brennraumes ergeben; hier ist ein Kassettennutzungsfaktor vom Kammerringofen sinngemäß zu übertragen - die Brücke hierzu stellen schon die im Einsatz befindlichen Sagger des Herdwagenofens dar. Zwar sind die Sagger prinzipiell auch im Tunnelofen einsetz­ bar, aber diese bieten erst einen akzeptablen Einsatz, wenn wenige große Elektrodendurchmesser durch den Ofen geschoben werden können.

Bei "Mischbetrieb" ist erfindungsgemäß zu verfahren (siehe Kapitel Glühbehältnisse).

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt einen Tunnelofen zum Brennen von Grafitrohelektroden gekennzeichnet dadurch, daß im Gegensatz zu bekannten Lösungen bei Rauchgasrück­ führungen, oder Rauchgasumwälzungen - so bekannt aus der DE-PS 26 43 406 (der "HM"-Tunnelofen), oder einer Beschreibung im Handbuch "Ölfeuerungen", Autor, W. Hansen, Springer Verlag, 2. Auflage 1970, Seite 339 - nicht eine Rauchgasumwälzung gewählt wird, sondern er­ findungsgemäß ein Tunnelofen zwei von einander unabhängige Rauchgasumwälzungen hat.

Es wird vorgeschlagen, bei beiden Rauchgasumwälzungen das gegenläufige Wärmetauscherprinzip beizubehalten, um damit einige prinzipielle Vorteile des Ringofenprinzips zu über­ nehmen.

Nicht unerwähnt bleiben soll auch die Tatsache, daß es im Tunnelofen aufgrund seines Arbeitsprinzips leichter ist, die problematische Elektrodenentgasung "in den Griff zu bekommen":
Während beim Chargenbetrieb (Einzelkammer-, Mehrkammerverbund- oder Herdwagenofen) die Entgasung in einer gedrängten Zeit­ periode erfolgt, ca. 10 bis 15 Stunden und somit ein Wärme­ überschuß entsteht, der in verschiedenartiger Weise gehand­ habt wird, stellt sich das Problem beim Kammerringofen nicht in dieser Form, da durch die langsame Aufheizung eine quasi Verdünnung des Destillates erfolgt. Aber selbst beim Kammer­ ringofen kommen immer nur jeweils eine Kammer in die Entgasung (Ausbrand), so daß ähnliche Verhältnisse vorliegen.

Im Gegensatz hierzu erlaubt der Tunnelofen ein Verschieben des Einsatzmaterials in verschiedene Temperatur- und Absaug­ bereiche und erlaubt folglich auch eine leichtere Handhabung der auszubrennenden Schwelgase.

Der Tunnelofen gemäß dieser Anmeldung hat eine äußere und innere Rauchgasumwälzung:

• A) Die äußere Rauchgasumwälzung stellt einen in sich abge­ schlossenen Umwälzstrom dar, der den Wärmetransport aus einem Sturzkühlungsbereich (Zone f) zur Anwärmzone (Zone a) sicherstellt. Beim Durchzug der heißen, sauberen Rauchgase durch Zone "a" reichern sich diese mit niedrig flüchtigen Kohlenwasserstoffen an. Die Temperatur­ steigerung wird mit ca. 5 bis 7°C/h vorgegeben, so daß vorschlagsgemäß heißes Reingas mit ca. 400 bis 500°C hinter der Schleuse 1 (Fig. 1) in den Brennkanal eintritt, in Richtung Einfahrtstor gezogen wird, sich anreichert und mit ca. 150°C den Brennkanal wieder verläßt.
• Die Elektroden- bzw. Stocktemperatur steigt erfahrungsgemäß auf 250 bis 350°C. Die Überleitung der ca. 150°C heißen Schmutzgase in den Sturzkühlungsbereich (Zone f) sollte isotherm gesichert sein (Teerkondensation!).
• Der Schmutzgaseintritt in Zone f liegt vor der Schleuse 2. Das Gas wird in Richtung Hauptfeuer bewegt, brennt dabei aus und verläßt den Brennkanal vor der gedachten Trennlinie zur Haltezone des Hauptfeuers. Die Überführung von Zone f zur Zone a geschieht derart, daß bei Eintritt in die Anwärmzone Heißluft, bzw. Reingas, in Höhe der Wagenplateaus in den Brennkanal eintritt, um sicherzustellen, daß die Wagenböden einer bevorzugten Erwärmung ausgesetzt sind, um unerwünschte Teerkondensation zu vermeiden. Durch geeignete Maßnahmen ist außerdem sicherzustellen, daß das Wärmedefizit, das sich aus den ungleichen Massenverhältnissen von "a" zu "f" ergibt, gedeckt wird. Hierbei bietet sich ein Wärmetausch an, der sich ergibt, indem von den "Überschuß"-Rauchgasen, die den Tunnelofen verlassen, ein Teil zum Wärmetausch für Zone "a" genommen wird. Der intensive Wärmeübergang ist mittels Um­ wälzventilatoren sicherzustellen.
• B) Die innere Rauchgasumwälzung stellt die eigentliche Ver­ sorgung des Hauptfeuers mit den Ausbrandgasen aus den Elektroden dar und setzt sich aus folgenden Zonen zusammen:
  • "b" = Entgasungsbereich (Entstehungsbereich des Schmutz­ gases).
  • "c" Fuchszone durch die vom Hauptfeuer kommend ausge­ brannte Rauchgase ziehen, die, sobald sie das Gleich­ gewicht des Ofens stören (mehr Wärme hergeben als die kurvengerechte Temperatursteigerung es erlaubt) den Brennkanal verlassen. Die Fuchszone kann verfahrens­ gerecht erst beginnen, wenn völlig entgaste Elektroden in sie eingeschoben werden; ein Kriterium für die Länge der Zone "b". Andererseits ist die Fuchszone so lang zu bemessen, daß nur "saubere" Rauchgase, nach­ dem die Schmutzgase in den Zonen "d" und "e" völlig ausgebrannt worden sind, den Bereich der Rauchgas­ auslässe passieren. Der temperatur-höhere Teil der Zone "c" und die Zonen "d" und "e" stellen folglich die integrierte Nachbrennkammer TNV des Konzeptes dar. Die Fahrkurve (Aufheizkurve) hat ein elektroden­ charakteristisches Bild, das aus Fig. 1 deutlich zu erkennen ist - sie stellt die optimale Brennkurve für den Elektrodenbrand dar.
  • "d" - Diese Zone ist geprägt durch hohe Aufheizraten des Besatzes, da entgaste Elektroden üblicherweise mit bis zu 10°C/h hochgeheizt werden. Da hier der größte Teil der Elektrodenspaltgase ausgebrannt werden soll ist genügend Temperatur (800°C und höher) und Ver­ weilzeit nötig. Durch geignete Querumwälzungen ist der Ausbrand sicherzustellen.
  • "e" - Haltezone. Diese Zone stellt jenen Bereich dar, indem dem Ein­ satzmaterial Zeit zum Temperaturausgleich gegeben wird.
  • Hier ist eine geringere Beaufschlagung mit Schmutz­ gas vorgesehen. Die Haltezone hat auch in ihrer Längenbemessung den erforderlichen Raum um eine "fließende Grenze" gegenläufiger Luftströme zu er­ möglichen: nämlich hier tangieren sich die zwei Rauchgasumwälzkreise. Es ist außerdem auch sicherzu­ stellen, daß der äußere Umwälzstrom bei Bedarf aus der Haltezone mitgespeist wird (Besonderheit e-f′).
  • Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Zone "g" die übliche Kühlzone wie bei anderen Tunnelofenkurven dar­ stellt und verfahrensgemäß mittels Schleuse 2 vom übrigen Ofen abgeschottet werden muß. Die in der Kühl­ zone anfallende heiße Kühlluft kann wie sonst üblich als vorgewärmte Verbrennungsluft genutzt werden.
  • Ein Überschuß an gewinnbarer Wärme ergibt sich aus den Rauchgasen, die mit ca. 600°C den Ofen verlassen und der Abwärme aus der Kühlzone "g".

Die Brennkurve, die sich bei verfahrensgemäßer Ge­ staltung ergibt, gleicht sehr der Kurve eines Kammer­ ringofens, nur, daß sie eine wesentliche kürzere Brenn­ zeit zuläßt. Die Kurve kann aber niemals so kurz sein wie bei einem Herdwagenofen - das bedingt die integrierte Nachbrennkammer, und die "Neutralisierungsbereiche" der einzelnen Zonenübergänge.

Claims (16)

1. Tunnelofen zum Brennen von Grafitrohelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelofen zwei Rauchgasumwälz­ kreise aufweist, wobei ein äußerer Rauchgasumwälzkreis zwischen Anwärmzone (a) und Sturzkühlungszone (f) und ein innerer Rauchgasumwälzkreis innerhalb der Entgasungs­ zone (b), der Fuchszone (c), der Aufheizzone (d) und der Halte­ zone (e) gebildet ist.

2. Tunnelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzströme durch zwei zusätzliche Hubschleusen gesichert sind.

3. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umwälzstrom als Wärmetauscher-Kreislauf zwischen Anwärmzone (a) und Sturzkühlungszone (f) aus­ gebildet ist.

4. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenbereiche (a) und (f) eine waagrechte Decke aufweisen.

5. Tunnelofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anwärmzone (a) zusätzliche Wärmetauscher angeordnet sind.

6. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasungszone (b) zur Bildung eines Schmutzgas­ sammelraumes mit einer Doppeldecke ausgestattet ist.

7. Tunnelofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entgasungszone (b) mit einer gewölbten Decke und Schürzentrennung ausgebildet ist.

8. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schmutzgasleitungen nach unterschiedlicher Zündfähig­ keit bzw. unterschiedlichem Heizwert des Schmutzgases in den Hochtemperaturbereich (d, e,) geführt sind.

9. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner als Mehrstoffbrenner ausgebildet sind, die das Schmutzgas einführen und als Stützbrenner fungieren können.

10. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rauchgasfüchse im neutralen Ofenatmosphären­ bereich zwischen Entgasungszone (b) und Aufheizzone (d) angeordnet sind.

11. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Deckenfeuerung, bei der die Schürlöcher so angeordnet sind, daß eingeleitete Schmutzgase auf die Stirnflächen der Glühbehältnisse prallen.

12. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Sturzkühlungs­ einrichtung, bei der die kälteren Schmutzgase aus der Anwärmzone (a) über mehrere Positionen, vorzugsweise jeweils frontal vor den Kassetten eingeblasen werden können.

13. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bedarfsfalle Heißluft aus der Haltezone (e) mit zur Sturzkühlungszone (f) gezogen werden kann.

14. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit universal zu nutzenden Kassetten aus temperatur­ festem Stahl ausgestattet ist, wobei die Kassetten aus Längsteilen mit Trapezprofil, glatten Stirnwänden und ohne Boden gefertigt sind und gewendet werden können.

15. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenwagenplateaus so ausgebildet sind, daß, bestimmt durch die Kassettenbreite, längs der Fahrtrichtung Um­ wälzquerschnitte frei bleiben.

16. Tunnelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenwagenplateaus so ausgebildet sind, daß die oberen Bodenplatten Längswülste zur Führung der Kassettenlängs­ bleche aufweisen.