DE60124691T2

DE60124691T2 - Verfahren zum betrieb eines heizofens mit regenerativen brennern

Info

Publication number: DE60124691T2
Application number: DE60124691T
Authority: DE
Inventors: Mizushima W. KAWASAKI STEEL COR. Ichiro Kurashiki-shi SUGIMOTO; KAWASAKI STEEL COR Kenta Mizushima Works Kurashiki-shi KARUBE; Mizushima Works M. Kurashiki-shi FURUKAWA; Mizushima Works K. Kurashiki-shi ANDACHI
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: KR20020083180A; KR100634776B1; BR0109303A; US20030027095A1; EP1757707A3; US6644962B2; EP1275740B1; CA2403221A1; EP1275740A1; CN100338236C; CA2639404A1; ATE346172T1; TW524956B; EP1757707A2; DE60124691D1; CN1427897A; WO2002057501A1; CA2403221C; EP1275740A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die bestmögliche Regelung des Ofendrucks eines Heizofens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Atmosphäre in einem Heizofen und insbesondere ein Verfahren zum Unterdrücken der Zunahme einer Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre.
Stand der Technik
Ein Heizofen für Stahlmaterialien wird mit den Ziel eingesetzt, Stahlteile erneut zu erwärmen, die in einem Grobwalzwerk grob gewalzt wurden, oder Gussteile, die kontinuierlich zu Fertigprodukten gewalzt werden, und zwar auf eine vorbestimmte Temperatur, die für das Walzen geeignet ist. Man unterteilt die Heizöfen generell in diskontinuierliche und kontinuierliche Öfen. Weil sie jeweils Vorteile und Nachteile aufweisen, werden sie gezielt zweckgebunden eingesetzt. Da sich kontinuierliche Heizöfen für die Massenproduktion eignen, wurden sie in den letzten Jahren häufig beispielsweise in der Eisen verarbeitenden Industrie eingesetzt.
1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines gängigen Beispiels für einen kontinuierlichen Heizofen. Er umfasst allgemein eine Vorwärmzone 1, eine Heizzone 2 und eine Durchwärmzone 3 in der Reihenfolge von der Zuführseite der Stahlmaterialien. Zumindest die Heizzone 2 und die Durchwärmzone 3 werden von Brennern 4 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und auf der Temperatur gehalten. Von einer Beschickungstür 1a der Vorwärmzone 1 zugeführte Stahlmaterialien 5 werden auf einem Transportweg 6 bewegt und mit Hilfe der Heizzone 2 und der Durchwärmzone 3 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Anschließend werden sie über eine Entnahmetür 3a an der Austrittsseite der Durchwärmzone 3 an die Außenseite des Ofens geführt. Durch die Verbrennung in den Brennern 4 gebildete Abgase werden über einen Schornstein 7, der am Eintritt der Vorwärmzone 1 angeordnet ist, an das Ofenäußere abgeführt. 7a bezeichnet einen Wärmetauscher für den Wärmeaustausch der freien Wärme des Abgases im Schornstein 7 auf die freie Wärme eines Brennerspeisegases. 7b bezeichnet einen Schieber für die Ofendruckregelung. Im kontinuierlichen Heizofen ist es erforderlich, die Stahlmaterialien auf eine Temperatur zu erwärmen, die sich für den nachfolgenden Walzvorgang eignet. Ist die Temperatur der im kontinuierlichen Heizofen erwärmten Stahlmaterialien geringer als die Untergrenze einer vorbestimmten geeigneten Walztemperatur, so führt dies zu unerwünschten Effekten bezüglich des Walzvorgangs und der Produktqualität. Ist dagegen die Temperatur der aus dem Heizofen entnommenen Stahlmaterialien unnötig höher, so wächst der Wärmeverlust im kontinuierlichen Heizofen für Stahlmaterialien. Daher ist es bei einem kontinuierlichen Heizofen wichtig, die Stahlmaterialien mit dem nöti gen Minimum an Brennstoffen auf die zum Walzen geeignete Temperatur zu erwärmen. Im Heizofen muss man auch die Heizzeit kontrollieren, damit die erwärmten Stahlmaterialien nacheinander aus den Heizofen entsprechend dem Walzabstand im Walzvorgang geliefert werden.
Im kontinuierlichen Heizofen treten starke Wärmeverluste auf, insbesondere Strahlungsenergieverluste aus der Heizzone. Man verringert den Wärmeverlust durch das Bereitstellen einer Vorwärmzone am Einlass und einer Durchwärmzone am Auslass der Heizzone, damit das Ofeninnere in drei Teile unterteilt wird.
Zu den Stahlmaterialien, die in den Heizofen eingebracht werden, gehören beispielsweise auf eine normale Temperatur abgekühlte Gussteile sowie warm zugeführte Materialien, die unmittelbar nach dem Stranggießen dem Walzschritt zugeführt werden, und die Temperatur am Einlass des Heizofens kann schwanken. Die Heiztemperatur wird variiert, und die Menge der im Heizofen zu erwärmenden Stahlmaterialien schwankt ebenso. Die Temperatur im Heizofen muss abhängig von solchen schwankenden Bedingungen geregelt werden. Die Heiztemperatur wird durch das Verstärken oder Verringern des Verbrennungsumfangs der Brenner eingestellt. Der Druck im Ofen schwankt in diesem Fall abhängig von der Änderung des Verbrennungsumfangs der Brenner.
Sinkt der Druck im Ofen bezogen auf den Druck außerhalb des Ofens, so dringt durch die Beschickungstür und die Entnahmetür, die Öffnungen des Heizofens darstellen, Außenluft in den Ofen ein. Dringt Außenluft in den Ofen ein, so fällt die Temperatur im Ofen, und dadurch wird der Verbrennungsumfang der Brenner verstärkt. Dadurch steigt das Brennstoffverbrauchsverhältnis und somit die Kosten. Dringt Luft in den Ofen ein, so nimmt die Sauerstoffkonzentration in der Ofenatmosphäre zu, und die Oxidation, Nitrierung und Entkohlung der Oberfläche der Stahlmaterialien, die sich im Ofen befinden, nimmt zu. Dadurch wird die Oberflächenbeschaffenheit der Stahlmaterialien schlechter.
Daher ist es erforderlich, den Druck im Heizofen geeignet zu regeln. Für die Regelung des Ofendrucks gibt es verschiedene Vorschläge. In JP-A-61-119987 wird beispielsweise offenbart, dass man das Eindringen von Luft durch die Beschickungstür und die Entnahmetür durch das Regeln des Ofendrucks verhindert, der in der Durchwärmzone eines Heizofens eingestellt ist, und zwar auf einen Überdruck bezogen auf den Druck außerhalb des Ofens (im Weiteren einfach als Überdruck bezeichnet) abhängig von der im Ofen erzeugten Abgasmenge. Gemäß diesem Verfahren kann man den Ofendruck in einem oberen Bereich des Ofens (im Weiteren als oberer Bereich bezeichnet) auf einen Überdruck regeln, wobei der Transportweg die Grenze ist. Ist jedoch der Verbrennungsumfang im gesamten Heizofen gering, so wird der Ofendruck im unteren Bereich des Ofens mit dem Transportweg als Grenze (im Weiteren als unterer Bereich bezeichnet) geringer als der Druck außerhalb des Ofens (im Weiteren als Unterdruck bezeichnet). Es erweist sich als schwierig, den Luftzutritt durch Spalte unter der Beschickungstür und der Entnahmetür zuverlässig zu verhindern. Es erweist sich auch als schwierig, den Luftzutritt durch so genannte Entnahme-Zinkenöffnungen zuverlässig zu verhindern, mit denen die Türen geschlossen werden, wobei sie kammartig ineinander eingreifen. Eine kammförmige Entnahme-Zinkenöffnung ist bei 3c in 14 dargestellt.
Zudem ist in JP-A-9-209032 eine optimale Regelung für einen Ofendruck offenbart, und zwar abhängig vom Umfang der Verbrennungslast auf einem Heizofen durch einen Ofendruckschieber, der in einem Schornstein angeordnet ist, durch den Abgase aus dem Heizofen im oberen Bereich der Durchwärmzone geführt werden. Ist jedoch der Verbrennungsumfang gering, so nimmt der Schornsteinzug verglichen mit dem Druckverlust zu, und zwar durch die Strömung von Abgasen aus dem Ofeninneren in den Schornstein. Zug bedeutet, dass im Schornstein oder im Ofen erhitzte Gase einen Luftauftrieb bewirken, der einen Unterdruck erzeugt. In diesem Fall ist es schwierig, mit dem Ofendruckschieber einen Überdruck zu erzeugen, der bis in den unteren Bereich reicht. Es erweist sich als schwierig, den Zutritt von Luft durch die Beschickungstür und die Entnahmetür verlässlich zu verhindern.
In JP-A-7-316645 ist ein Verfahren zum Verbinden eines Gaszufuhr-Leitungssystems mit einem Schornstein am Auslass eines Wärmetauschers offenbart, wobei ein Gas, beispielsweise Luft, in den Schornstein geblasen und dadurch der Ofendruck geregelt wird. Für dieses Verfahren ist es erforderlich, dass zusätzlich ein Gebläse, verschiedene Leitungen und ein Regelsystem zum Regeln des Ofendrucks bereitgestellt werden. Dies führt zu Problemen, da die Anlagekosten hoch sind und die Wartung mühsam ist. Da zudem Rohre oder zusätzliche Anlagenteile in komplizierter Weise am Umfang des Heizofens aufgenommen werden, bleibt kein Platz für einen Einbauraum, und das zusätzliche Bereitstellen des Regelsystems ist schwierig.
Das Verhindern eines Luftzutritts in den Heizofen ist hinsichtlich der Produktqualität und des Betriebs des Heizofens außerordentlich wichtig. Es werden verschiedene Vorgehensweisen vorgeschlagen. In JP-A-11-172326 wird beispielsweise vorgeschlagen, ein brennbares Gas aus einer Düse auszustoßen, die nahe an einer Entnahmeöffnung angeordnet ist. Dabei ist die Düse von den Heizbrennern im Ofen getrennt, und das Gas soll Sauerstoff in der eindringenden Luft durch Verbrennung verbrauchen.
Dafür ist jedoch das Bereitstellen einer zusätzlichen Brenngas-Einspritzdüse nahe an der Entnahmeöffnung erforderlich, wodurch die Anlagekosten steigen. Zudem ist die Maßnahme wirksam gegen Luft, die in einem Abschnitt über der Position eindringt, an der die Einspritzdüse angeordnet ist. Sie ist jedoch unwirksam gegen Luft, die in einem Abschnitt unter der Position eindringt, an der die Einspritzdüse angeordnet ist. Da im unteren Abschnitt ein Unterdruck herrscht, ist ein Lufteintritt in diesem Abschnitt unvermeidbar. Zudem erweist es sich als schwierig, den Luftzutritt durch die Entnahme-Zinkenöffnung verlässlich zu verhindern.
In jüngerer Zeit hat man für kontinuierliche Heizöfen den Betrieb eines Heizofens mit geringeren Wärmeverlusten dadurch vorgenommen, dass man Wärmerückgewinnungsbrenner als Wärmequelle einsetzt und Wärme aus den Abgasen zum Vorwärmen der Brenner-Verbrennungsluft wieder verwendet. 2A und 2B zeigen ein Beispiel für den Aufbau eines Wärmerückgewinnungsbrenners. Wie im Beispiel in 2A und 2B dargestellt ist, umfasst ein Wärmerückgewinnungsbrenner ein Paar Brenner 40a und 40b, die einander zwischen den beiden Seitenwänden eines Heizofen-Durchwärmkörpers 3 gegenüberliegen, Zweiwegekanäle 41a und 41b, die dem Einführen von Verbrennungsluft von der Außenseite des Ofens in jeden Brenner und dem Zuführen von Abgasen aus dem Ofeninneren über jeden Brenner an die Außenseite des Ofens dienen, und Wärmerückgewinnungskörper 42a und 42b, die im dargestellten Beispiel an den brennerseitigen Öffnungen eines jeden Kanals angeordnet sind. Im Wärmerückgewinnungsbrenner arbeiten die paarigen Brenner abwechselnd. Wird beispielsweise, siehe 2A, dem Brenner 40a aus dem Zweiwegekanal 41a Verbrennungsluft und Brennstoff 43a zugeführt, so wird Abgas im Ofen vom gegenüberliegenden Brenner 41 abgesaugt. Das Abgas durchläuft den Wärmerückgewinnungskörper 42b, damit die Wärme zurückgewonnen wird, und gelangt daraufhin in den Zweiwegekanal 41b und wird aus dem Ofen abgeführt.
Nun wechselt der Brennvorgang von einem Brenner auf den anderen. Ein Umschaltventil 44 für die Zweiwegekanäle 41a und 41b wird umgelegt, so dass die beschriebene Verbindung mit den Leitungen für Luft und Abgas wechselt. Daraufhin wird, siehe 2B, dem Brenner 40b Verbrennungsluft über den Zweiwegekanal 41b und den Wärmerückgewinnungskörper 42b zugeführt. Beim Zuführen wird die Verbrennungsluft mit Hilfe der im Wärmerückgewinnungskörper 42b im beschriebenen Schritt in 2A zurückgewonnenen Wärme vorgeheizt. Gleichzeitig wird dem Brenner 40b Brennstoff 43b für die Verbrennung zugeführt. Abgas aus dem Ofen wird vom gegenüberliegenden Bren ner 40a angesaugt und zur Wärmerückgewinnung durch den Wärmerückgewinnungskörper 42a geführt. Anschließend gelangt es in den Zweiwegekanal 41a und von dort an die Außenseite des Ofens.
Den Betrieb des Heizofens mit verringerten Wärmeverlusten kann man ausführen, indem man die beschriebenen abwechselnden Verbrennungsvorgänge an den Brennern in 2A und 2B wiederholt, beispielsweise nach jeweils einigen zehn Sekunden.
In diesem Fall wird für das Absaugen des Abgases aus dem Brenner, der gerade nicht brennt, eine Saugvorrichtung 8, beispielsweise ein Sauggebläse, am Ende eines Wegs 45 angeordnet, damit über die Wärmerückgewinnungskörper 42a oder 42b beispielsweise aus den Brennern 40a oder 40b abgesaugt wird, siehe 2A und 2B. Das Abgas von den Brennern wird durch das Ansteuern der Saugvorrichtung 8 abgesaugt.
Beim beschriebenen Betrieb des Heizofens mit Hilfe der Wärmerückgewinnungsbrenner sinkt während der Periode vom Beginn des Brennvorgangs bis zur eingestellten Temperatur oder im Fall des Regelns der Atmosphäre im Ofen auf einen unteren Temperaturbereich von ungefähr 800°C die Temperatur des Abgases, das von dem Brenner abgesaugt und durch den Wärmerückgewinnungskörper geführt wird, ebenfalls ab. Dadurch kondensieren Feuchtigkeit oder Schwefelgehalte, die im Abgas enthalten sind, am Austritt des Abgases aus dem Rückgewinnungskörper oder im daran anschließenden Weg 45. Durch Kondensation verursachte Flüssigkeiten, so genannte Kondensate, können sich manchmal am Abgasauslass des Rückgewinnungskörpers sammeln. Wird der Brennerbetrieb auf den Verbrennungsvorgang umgeschaltet, so mischen sich die Kondensate mit der Verbrennungsluft. Dies führt zu der Schwierigkeit, dass die Temperatur der Verbrennungsflamme sinkt. Die gesunkene Temperatur der Verbrennungsflamme durch die Kondensate senkt die Heizwirkung des Heizofens und kann sich manchmal störend auf den Niedertemperaturbetrieb auswirken.
In einem Heizofen, in dem mehrere Wärmerückgewinnungsbrenner angeordnet sind, ist der Weg lang, der das auf niedere Temperatur gebrachte Abgas vom Brenner durch den Wärmerückgewinnungskörper zum Gebläse führt. Kondensate bilden sich nicht nur am Austritt des Wärmerückgewinnungskörpers, sondern auch im Verlauf des Wegs. Die im Verlauf des Wegs gebildeten Kondensate verursachen Korrosion am Propeller des Gebläses. Beschädigen im Kondensat enthaltene feste Bestandteile den Propeller durch Abrieb, so kann dies zu schweren Unfällen führen. Daher wird in Heizöfen mit Wärmerückgewinnungsbrennern das Abgasgebläse häufig überprüft. Die häufige Wartung, bei spielsweise der Austausch des Gebläsepropellers, führt auch zu steigenden Kosten.
Hinsichtlich der beschriebenen Kondensatprobleme ist in JP-A-10-30812 eine in 3 dargestellte Vorrichtung offenbart. Abgas in einem Heizofen (beispielsweise in der Durchwärmzone 3) strömt durch ein Umgehungsrohr 51 in einen Abgasleitungskanal 50, und zwar getrennt vom Abzugskanal durch einen Brenner 40a und einen Abgasleitungskanal 50 zur Außenseite des Ofens. Es wird angegeben, dass mit dieser Anordnung die Temperatur des Abgasleitungskanals 50 über dem Taupunkt des Abgases gehalten wird.
Muss jedoch für lange Zeit mit einer relativ geringen Temperatur geheizt werden, damit die Temperatur in Dickenrichtung des Stahlmaterials gleichförmig wird, oder treten Anlagenprobleme auf, durch die eine Verbrennung mit hoher Last nicht möglich ist, so ist es erforderlich, die Brenner mit einer extrem geringen Last zu betreiben. Da in diesem Fall die Saugvorrichtung (Gebläse) mit weniger als 10% ihrer Saugleistung betrieben wird, kommt es manchmal zu einem instabilen Betrieb der Saugvorrichtung. Man kann über die gesamte Oberfläche keine verwirbelte Strömung erhalten. Dies führt zu einem Abschnitt, in dem man durch Strömungsabriss keine verwirbelte Strömung erhält. Dadurch wird es nicht nur schwierig, die Saugmenge des Abgases vom Brenner konstant zu halten, sondern es kommt auch zu irregulären Schwingungen des Blatts, die von Fall zu Fall das Gebläse beschädigen können.
Die in JP-A-10-30812 beschriebene Vorgehensweise kann diverse Probleme hinsichtlich der Kondensate bei geringer Verbrennungslast lösen. Sie kann jedoch nicht das Problem lösen, dass der Betrieb der Saugvorrichtung instabil wird. Da jeweils Regelventile in der in der Publikation beschriebenen Abgasleitung 50 und der Umgehungsleitung 51 vorhanden sind, führt dies auch dazu, dass deren Regelung kompliziert ist.
Damit die Oberfläche der Stahlmaterialien während des Erwärmens in einem zufriedenstellenden Zustand verbleibt, ist es wichtig, die Atmosphäre im Ofen des kontinuierlichen Heizofens strikt zu kontrollieren. Nimmt beispielsweise die Sauerstoffkonzentration in der Ofenatmosphäre zu, so wird die Oberflächenoxidation, die Nitrierung und Entkohlung der zu erwärmenden Materialien gefördert, beispielsweise der in den Ofen eingeführten Stahlmaterialien. Werden sie in diesem Zustand gewalzt, so wird die Oberflächengüte der Produkte beeinträchtigt. Zum Verbessern oder Erhalten der Produktqualität muss man eine Zunahme der Sauerstofkonzentration in der Ofenatmosphäre verhindern. Zu diesem Zweck ist es wichtig, die Sauerstoffkonzentration in der Ofenatmosphäre exakt zu messen.
Zusätzlich zur Sauerstoffkonzentration ist es auch wichtig, die Temperatur für Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Stickoxide in der Ofenatmosphäre genau zu messen. Stickstoff bewirkt eine Nitrierung der Oberfläche der Stahlmaterialien. Kohlenmonoxidwerte kann man dazu verwenden, eine unvollständige Verbrennung in den Brennern zu erkennen. Stickoxidwerte sind für die Einhaltung der Abgabegrenzwerte in die Umgebung erforderlich.
In JP-A-62-40312 ist offenbart, dass jede Sonde zum Messen der Sauerstoffkonzentration und der CO-Konzentration in dem Heizofen beweglich gemacht wird. Die Konzentration wird an mehreren Messpositionen gemessen. Ein Mittelwert wird bestimmt, mit dem das Luftverhältnis in den Brennern berichtigt und geregelt wird.
Da es erforderlich ist, zusätzlich ein Ansteuersystem oder Regelsystem zum Messen der Konzentration anzubringen, sind die Anlagekosten hoch. Zudem wird die Wartung schwierig. Da komplizierte Rohre oder Hilfsanlagen in den Heizofen aufgenommen werden, bleibt kein Einbauraum, und es war häufig schwierig, zusätzlich ein Ansteuersystem oder Regelsystem einzubauen.
Ferner ist in JP-A-9-53120 ein Heizofen offenbart, in dem eine Trennwand innerhalb der Ofenwand des Heizofens an der Entnahmeseite und unter den Rollen entlang der Ofenquerrichtung angeordnet ist. Zwischen der Trennwand und der Ofenwand an der Entnahmeseite sind ein Sauerstoff-Konzentrationsmesser und ein Abgasrohr für das Abführen des Atmosphärengases an die Ofenaußenseite angebracht. Es wird angegeben, dass die Strömungsrate im Abgasrohr geregelt wird, wobei man die Sauerstoffkonzentration mit Hilfe des Sauerstoff-Konzentrationsmessers im Heizofen misst.
Zum Ausführen der Messung mit dem Sauerstoff-Konzentrationsmesser zwischen der Trennwand und der Ofenwand an der Entnahmeseite muss jedoch eine Sonde von der Gestellwand oder Ofenwand her eingeführt werden. Führt man die Sonde von der Gestellwand her ein, so ist es schwierig, die Konzentration mit hoher Zuverlässigkeit über eine längere Zeitspanne zu messen, da die Sonde durch das Herabfallen und die Ablagerung von Zunder beschädigt oder verstopft wird. Führt man die Sonde von der Ofenwand her ein, so kann der Messpunkt verschoben oder die Sonde beschädigt werden, da die Sonde im Ofen einem Bereich hoher Temperatur ausgesetzt und verformt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Regeln eines Ofendrucks bereitzustellen, mit dem man zuverlässig verhindern kann, dass Luft in einen Heizofen eintritt.
Die Erfinder haben eine tiefgehende Untersuchung über den Lufteintritt angestellt, falls im Ofen ein Unterdruck auftritt. Die Luft tritt sowohl über die Beschickungstür als auch die Entnahmetür in den Ofen ein. Knapp hinter der Beschickungstür 1a, siehe 1, ist ein Schornstein 7 angeordnet. Über die Beschickungstür 1a eintretende Luft gelangt direkt in den Schornstein 7 und wird aus dem Ofen abgeführt. Es hat sich gezeigt, dass über die Beschickungstür 1a eintretende Luft weniger zur Zunahme der Sauerstoffkonzentration im Ofen oder zur Senkung der Ofentemperatur beiträgt. Es ist wichtig, einen Lufteintritt über die Entnahmetür zu vermeiden, damit die Sauerstoffkonzentration im Ofen nicht ansteigt oder die Ofentemperatur fällt. Zu diesem Zweck hat es sich gezeigt, dass es wichtig ist, den Ofendruck in der Durchwärmzone geeignet zu regeln, an der die Entnahmetür angeordnet ist.
Wie beschrieben ist es schwierig, einen Ofenüberdruck in einem unteren Bereich unter dem Transportweg der Durchwärmzone aufrecht zu erhalten, indem man den Ofendruck durch das Öffnen bzw. Schließen des Schiebers regelt, der im Schornstein angebracht ist, und dies insbesondere bei geringer Verbrennungslast. Dies hat seine Ursache darin, dass die erzeugte Abgasmenge sinkt und der Druckverlust des Abgases vom Ofeninneren zum Schornsteindurchgang abfällt, wogegen der Zug stromabwärts im Ofen zunimmt. Die relative Verteilung des Ofendrucks fällt allmählich zur stromabwärtigen Seite des Heizofens hin ab. Im stromabwärtigen Bereich nimmt der Zug verglichen mit dem Druckverlust des Abgases zu. Dies bewirkt leicht einen Unterdruck.
Den Betrieb eines Heizofens mit geringeren Wärmeverlusten erreicht man durch den Gebrauch von Wärmerückgewinnungsbrennern als Wärmequelle eines kontinuierlichen Heizofens und das Wiederverwenden der Wärme im Abgas zum Vorheizen der Verbrennungsluft der Brenner. Die Ofendruckregelung in einem Heizofen mit Hilfe der Wärmerückgewinnungsbrenner wurde untersucht. Es hat sich gezeigt, dass eine strenge Ofendruckregelung möglich ist, und zwar insbesondere für den Fall, dass Wärmerückgewinnungsbrenner als Wärmequelle im unteren Bereich der Durchwärmzone eingesetzt werden. Dabei werden charakteristische Mechanismen der Wärmerückgewinnungsbrenner ausgenutzt und damit die Aufgaben der Erfindung erfüllt.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Regeln eines Ofendrucks unter Verwendung von Wärmerückgewinnungsbrennern in einem Heizofen bereit, bei dem das Saugverhältnis des Abgases vom Brenner in den Wärmerückgewinnungskörper abhängig von der Verbrennungslast auf dem gesamten Heizofen geregelt wird, um den Ofendruck in der Durchwärmzone zu regeln.
Der Kern der Erfindung wird nun beschrieben.
Ein Verfahren zum Regeln eines Ofendrucks unter Verwendung von Wärmerückgewinnungsbrennern in einem Heizofen wird bereitgestellt, wobei der Heizofen aufweist: eine Vorwärmzone, eine Heizzone und eine Durchwärmzone, in der zahlreiche Sätze Wärmerückgewinnungsbrenner, die jeweils ein Paar Brenner aufweisen, die jeweils einen Rückgewinnungskörper umfassen und einander gegenüberliegen, als Wärmequelle für die Durchwärmzone angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: das abwechselnde Betreiben der Brenner eines jeden Paars Wärmerückgewinnungsbrenner, das Saugen des Abgases im Ofen aus den Brennern während eines Zustands ohne Verbrennungsvorgang, das Einführen des Abgases in den Wärmerückgewinnungskörper, wodurch die Wärme im Abgas in den Wärmerückgewinnungskörper zurückgewonnen wird, und das Verwenden der zurückgewonnenen Wärme für das Aufheizen der Verbrennungsluft der Brenner während eines Brennzustands, wodurch der Betrieb des Heizofens erfolgt, wobei das Saugverhältnis des Abgases vom Brenner in den Wärmerückgewinnungskörper abhängig von der Verbrennungslast auf dem gesamten Heizofen geregelt wird, um den Ofendruck in der Durchwärmzone zu regeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 eine Ansicht der Anordnung eines kontinuierlichen Heizofens;
2A eine Ansicht der Anordnung eines Wärmerückgewinnungsbrenners;
2B eine Ansicht der Anordnung eines Wärmerückgewinnungsbrenners;
3 eine Ansicht des Abgas-Abführwegs in einem vorhandenen Heizofen;
4 eine Ansicht des Abgas-Abführwegs in einem Heizofen der Erfindung;
5 eine Ansicht der Anordnung eines kontinuierlichen Heizofens, der in der Erfindung verwendet wird;
6 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen dem Saugverhältnis des Abgases und dem Ofendruck;
7 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen dem Ofendruck und der zugeführten Luftmenge;
8 eine Ansicht der Anordnung eines kontinuierlichen Heizofens, der in der Erfindung verwendet wird;
9 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen dem Öffnungsgrad eines Strömungsraten-Regelventils für Verdünnungsluft und dem Ofendruck;
10 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen einem Ofendruck-Regelverfahren, dem Ofendruck und der Sauerstoffkonzentration in einem Ofen;
11 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen einem Ofendruck-Regelverfahren und einem Ofendruck;
12 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen einem Ofendruck-Regelverfahren und der Sauerstoffkonzentration im Ofen;
13 eine Ansicht der Anordnung der Heizbrenner in einem Ofen;
14 eine Ansicht der Entnahmeöffnung eines Heizofens;
15 eine Ansicht der Luftströmung in der Nähe der Entnahmeseite eines Heizofens;
16 eine Ansicht des Zusammenhangs zwischen dem Luftverhältnis eines Heizbrenners und dem Verbrennungsumfang von eingeströmter Luft;
17 eine Ansicht eines Abführwegs des Abgases von einem Wärmerückgewinnungsbrenner; und
18 eine vergleichende Ansicht der Messwerte der Sauerstoffkonzentration im Ofen und der mittleren Sauerstoffkonzentration im Ofen mit verschiedenen Verfahren.
Beschreibung der besten Art, die Erfindung umzusetzen
Das Verfahren der Erfindung wird nun insbesondere anhand der Zeichnungen beschrieben.
5 zeigt einen kontinuierlichen Heizofen, der direkt für das Verfahren der Erfindung verwendet wird. Der Heizofen stimmt im Wesentlichen mit dem Heizofen in 1 überein. Es handelt sich um ein Beispiel, in dem die Wärmerückgewinnungsbrenner 40a und 40b in 2A und 2B in mehreren Sätzen zumindest in einem unteren Bereich eines Transportwegs einer Durchwärmzone 3 angeordnet sind. In 5 bezeichnen die Bezugszeichen 40a und 40b auch die Zweiwegeteile und Wärmerückgewinnungskörper.
Bei Betrieb des Heizofens wird ein Saugverhältnis eines Abgases von den Brennern 40a und 40b bezüglich der Wärmerückgewinnungskörper 42a und 42b abhängig von einer Verbrennungslast für den gesamten Heizofen eingestellt, damit der Ofendruck reguliert wird. Es ist insbesondere ein Merkmal, dass der Ofendruck in einem unteren Bereich auf einen Überdruck geregelt wird.
Bei Betrieb des Heizofens wird der Ofendruck tatsächlich durch ein Ofendruck-Messgerät gemessen, das in einem unteren Bereich der Durchwärmzone angeordnet ist. Die Strömungsrate des Abgases, das den Wärmerückgewinnungskörper des Wärmerückgewinnungsbrenners durchströmt, wird mit Hilfe eines Strömungsraten-Regelventils eingestellt, damit das Saugverhältnis des Abgases gemäß einem erwünschten Ofendruck reguliert wird. Dadurch wird der Ofendruck in einem unteren Bereich, insbesondere in einem unteren Bereich der Durchwärmzone, auf den erwünschten Ofendruck geregelt.
6 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Abgas-Saugverhältnis und einem Ofendruck. Dargestellt ist der Zusammenhang zwischen dem Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone und dem Abgas-Saugverhältnis für den Fall, dass das Abgas-Saugverhältnis abhängig von der Verbrennungslast gemäß dem beschriebenen Verfahren eingestellt wird. Das Abgas-Saugverhältnis und der Ofendruck sind im Wesentlichen indirekt proportional zueinander. Durch das Einstellen des Abgas-Saugverhältnisses kann man den Ofendruck präzise regeln. Das Abgas-Saugverhältnis ist das Verhältnis der in die Wärmerückgewinnungsbrenner gesaugten Abgasmenge bezogen auf die Abgasmenge, die während der Verbrennung in den Wärmerückgewinnungsbrennern erzeugt wird. Das Verhältnis wird ermittelt, indem man tatsächlich die Strömungsrate des Abgases mit Hilfe eines Abgas-Strömungsmessgeräts misst, das im Abgasrohr der Wärmerückgewinnungsbrenner angeordnet ist.
Der Ofendruck wird bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 0,5 mm Wassersäule im unteren Bereich der Durchwärmzone geregelt, indem man das Abgas-Saugverhältnis einstellt. Stellt man den Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone auf 0,5 mm Wassersäule oder mehr ein, so ist der Ofendruck im oberen Bereich der Durchwärmzone übermäßig hoch, und das Gas im Ofen wird aus dem Ofen gedrückt und kann möglicherweise die Entnahmetür beschädigen. Zudem verschlechtert sich der Brennstoffverbrauch.
8 zeigt einen kontinuierlichen Heizofen, der direkt gemäß der Erfindung eingesetzt wird. Die Anordnung des Heizofens ist im Wesentlichen mit der des Heizofens in 1 identisch. Er ist so aufgebaut, dass er einen Wärmetauscher 7a durch das Zuführen von Verdünnungsluft 8 zum Einlass eines Wärmetauschers 7a eines Schornsteins 7 schützt, falls das Abgas aus dem Ofen, das dem Wärmetauscher 7a zugeführt wird, die Obergrenze der Wärmebeständigkeitstemperatur des Wärmetauschers 7a überschreitet.
Bei Betrieb des Heizofens mit der beschriebenen Anordnung wird Verdünnungsluft 8 auch dann zugeführt, wenn der Ofendruck in der Durchwärmzone 3 und insbesondere in einem unteren Bereich der Zone auf weniger als einen Sollwert fällt, d. h. nicht nur dann, wenn die Abgastemperatur die Wärmebeständigkeitstemperatur des Wärmetauschers 7a überschreitet. Der Ofen weist das Merkmal auf, dass der Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone 3 auf einen Überdruck geregelt wird, indem man die Verdünnungsluft 8 mit einer vorbestimmten Strömungsrate zuführt.
D. h., siehe 8, ein gemessener Ofendruckwert P.1, der mit einem Ofendruck-Messgerät 3b bestimmt wird, das im unteren Bereich der Durchwärmzone 3 angeordnet ist, und ein Soll-Ofendruck (Überdruck) werden in einem Prozessor 9a verglichen. Ausgehend von dem Ergebnis stellt der Prozessor 9a zuerst den Öffnungsgrad des Schiebers 7b für die Ofendruckregulierung ein, damit der Ofendruck geregelt wird.
Bei dem beschriebenen üblichen Vorgang vergleicht ein Prozessor 9b einen Temperaturwert T.1, der mit einem Thermometer 7c gemessen wird, das im Einlass des Wärmetauschers 7a im Schornstein 7 angeordnet ist, mit einer Solltemperatur des Abgases an dieser Position, d. h. der Obergrenze für die Wärmebeständigkeitstemperatur des Wärmetauschers 7a. Nähert sich der Wert der gemessenen Temperatur T.1 der Obergrenze für die Wärmebeständigkeitstemperatur des Wärmetauschers 7a, so werden durch einen Befehl aus dem Prozessor 9b eine geeignete Gebläsedrehzahl und ein geeigneter Öffnungsgrad eines Strömungsraten-Regelventils vorgegeben, und zwar für ein Gebläse 8a, das Verdünnungsluft 8 zuführt, und ein Strömungsraten-Regelventil 8b.
Die Temperatur des Abgases, das in den Wärmetauscher 7a eingeführt wird, wird auf einen zulässigen Bereich gesenkt, indem man eine vorbestimmte Strömungsrate von Verdünnungsluft 8 in den Schornstein 7 einbringt und die Verdünnungsluft 8 mit dem Abgas mischt. Die Gebläsedrehzahl und der Öffnungsgrad des Strömungsraten-Regelventils werden für den Fall beibehalten, dass der gemessene Temperaturwert T.1 mit der Solltemperatur übereinstimmt.
Wird dagegen bei dem beschriebenen üblichen Vorgang die Verbrennungslast der Brenner gesenkt, und ändert sich der mit dem Ofendruck-Messgerät 3b gemessene Ofendruckwert P.1 vom Sollofendruck in einen Unterdruckbereich, so gibt der Prozessor 9a eine geeignete Gebläsedrehzahl und einen Öffnungsgrad des Strömungsraten-Regel ventils an das Gebläse 8a bzw. das Strömungsraten-Regelventil 8b aus, damit eine vorbestimmte Strömungsrate von Verdünnungsluft 8 in den Schornstein 7 geführt wird und der Ofendruck steigt. Wird dem Schornstein 7 Verdünnungsluft 8 zugeführt, so nimmt die Strömungsrate des den Schornstein 7 durchströmenden Gases zu, und der Druckverlust im Schornstein 7 nimmt zu und erhöht den Ofendruck. Dadurch wird verhindert, dass der Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone 3 einen Unterdruck annimmt. Ist der gemessene Ofendruckwert P.1 gleich dem Sollofendruck, so werden die Gebläsedrehzahl und der Öffnungsgrad des Strömungsraten-Regelventils beibehalten.
9 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Öffnungsgrad des Strömungsraten-Regelventils für die Verdünnungsluft 8 und dem Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone 3. Durch die Strömungsratenregelung für die Verdünnungsluft 8 wird der Regelbereich für den Ofendruck beträchtlich erweitert. Auch bei geringer Verbrennungslast auf den Brennern kann man den Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone 3 leicht auf einen Überdruck bringen, indem man Verdünnungsluft 8 zuführt. Da zudem vorhandene Anlagen genutzt werden, braucht man nicht in zusätzlichen Anlagen zu investieren.
Im kontinuierlichen Heizofen in 1 wird ein unabhängiges Regelsystem für einen Heizbrenner 40 eingeführt, der sich neben zahlreichen anderen Heizbrennern 4 des Ofens im unteren Bereich der Ofenentnahmeseite befindet. Das Regelsystem unterscheidet sich vom Regelsystem für andere Heizbrenner 4 und regelt die Verbrennung im Heizbrenner 40 unabhängig.
In diesem Fall sind die Heizbrenner 4 im Heizofen in der Regel so angeordnet, dass gepaarte Brenner 4a und 4b zwischen den beiden Seitenwänden des Heizofens einander gegenüber liegen, siehe 13. Die Heizbrenner 40, die sich im unteren Bereich an der Ofenentnahmeseite befinden, sind ebenfalls als Brennerpaar 40a und 40b ausgebildet.
Wird die Entnahmetür 3a des Heizofens geöffnet, um zu erwärmende Materialien, die im Heizofen erwärmt werden, an die Außenseite des Ofens zu entnehmen, so wird die Verbrennung an den Heizbrennern 40a und 40b unabhängig geregelt. Während des Öffnens der Entnahmetür 3a, siehe 2A und 2B, erfolgt der Brennvorgang so, dass sich die Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b quer über die Öffnungsbreite der Entnahmeöffnung 3b erstrecken. Werden die Brennerflammen so ausgebildet, dass sie sich über die Breite der Öffnung der Entnahmeöffnung 3b erstrecken, so wird Luft, die von der Entnahmeöffnung 3b in den Ofen eintritt, zuerst von der Brennerflamme aufgehalten und kann nicht weiter in den Ofen eindringen. Da zudem in der eindringenden Luft enthaltener Sauerstoff von der Brennerflamme verbraucht wird, kann man einen Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Ofen durch eindringende Luft verhindern.
Insbesondere bei einer Entnahmetür mit einer kammförmigen Entnahme-Zinkenöffnung 3c im unteren Bereich der Entnahmeöffnung 3b, siehe 14, bei der Luft zum Eindringen durch die Entnahme-Zinkenöffnung 3c neigt, ist das Abschotten des Lufteintrittswegs durch die Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b, die sich im unteren Bereich am Ofenentnahmeende befinden, äußerst wirksam. Sind die Heizbrenner nicht paarweise angeordnet, so kann man eine Verbrennungsregelung vornehmen, die die Brennerflamme eines einzigen Heizbrenners in Querrichtung des Ofens vergrößert.
In diesem Fall liegt die Position zum Ausbilden der Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b bevorzugt in einem Bereich, in dem die Brennerflamme die Strukturen in der unteren Zone der Entnahmeöffnung nicht berührt und in Längsrichtung des Ofens so nahe wie möglich an der Entnahmeöffnung. Andererseits bevorzugt man, dass sich die Brennerflammen an einer Position befinden, die die Entnahme-Zinkenöffnung verschließen kann und in einem Bereich, in dem sie in Höhenrichtung des Ofens den Herd nicht berührt.
Man bevorzugt, siehe 15, eine Trennwand 8 anzubringen, die sich vertikal vom Herd im Ofeninneren neben den Heizbrennern 40a und 40b erstreckt und den Lufteintrittsweg durch die Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b versperrt.
Die Druckverteilung im Ofen, siehe 15, besteht aus einem Überdruck bezogen auf den Druck außerhalb des Ofens (im Wesentlichen dem Atmosphärendruck) in einem Abschnitt über dem Transportweg 6 als Grenze und einem Unterdruck im unteren Bereich. Da der Zug im unteren Bereich des Ofens normalerweise zunimmt, zeigt der Ofendruck eine Verteilung, die nach unten kleiner wird. Macht man in einem solchen Heizofen den Druck im gesamten Bereich im Ofen zu einem Überdruck, so kann das Gas im Ofen möglicherweise aus allen Öffnungen ausströmen, da der Druck im oberen Ofenteil höher ist. Daher regelt der Schieber 7b (siehe 1) so, dass der Ofendruck auf der Höhe des Transportwegs 6 gleich dem Atmosphärendruck ist.
Über die Entnahmeöffnung 3b und insbesondere die Entnahme-Zinkenöffnung 3c breitet sich eindringende Luft hin zum unteren Bereich des Transportwegs 6 aus und wird größtenteils von den Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b aufgenommen. Da die Temperatur der eindringenden Luft geringer ist als die Temperatur im Ofen, tritt ein Teil der eindringenden Luft in einer absinkenden Richtung hin zum Herd ein. Da sich die eindringende Luft unten von der Rückseite der Heizbrenner 40a und 40b in den Ofen ausbreitet, neigt sie dazu, geschmeidig in den Ofen einzudringen.
Ist eine Trennwand 8 vorhanden, so hält die Trennwand 8 von der Rückseite der Heizbrenner 40a und 40b eindringende Luft ab. Da sich die Luft allmählich erwärmt und daraufhin als aufsteigender Strom entlang der Trennwand 8 fließt und einen Überdruckbereich im oberen Teil des Transportwegs 6 erreicht, wird sie aus dem oberen Teil des Transportwegs 6 an die Ofenaußenseite abgegeben. Auf diese Weise kann man auch verhindern, dass von der Rückseite der Heizbrenner 40a und 40b eindringende Luft in den Ofen gelangt.
Verschließt man den Lufteintrittsweg mit den Brennerflammen der Heizbrenner 40a und 40b, so bevorzugt man, dass die Heizbrenner 40a und 40b für die Verbrennung mit einem niederen Luftverhältnis betrieben werden. 16 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luftverhältnis im Heizbrenner an der Entnahmeseite und dem Verbrennungsumfang der eindringenden Luft durch den Heizbrenner. Offensichtlich wächst der Verbrennungsumfang der eindringenden Luft im Heizbrenner, wenn das Luftverhältnis im Heizbrenner gesenkt wird. Betreibt man die Heizbrenner 40a und 40b für die Verbrennung mit einem geringen Luftverhältnis, so kann der Sauerstoff in der von der Entnahmeöffnung 3b eindringenden Luft direkt verbrannt und aufgebraucht werden. Dies hält die Sauerstoffkonzentration in der Ofenatmosphäre wirksam niedrig. Es ist vorteilhaft, die Höhe der Trennwand 8 größer als die Breite zwischen den beiden Seitenwänden des Ofens zu gestalten, und zwar innerhalb eines Bereichs, der die Transportvorrichtungen nicht stört, und vom Herd hin zur Ofeninnenseite, damit die eindringende Luft ausgesperrt wird und eine aufsteigende Strömung entsteht.
4 zeigt einen Abführweg für Abgas in einem kontinuierlichen Heizofen, der direkt für das Verfahren der Erfindung genutzt wird. Eine Rohrleitung 10 ist von einem Pfad 45 von den Brennern 40a oder 40b über den Wärmerückgewinnungskörper 42a oder 42b und den Schornstein 7, siehe 2A und 2B, zur Saugvorrichtung 8 in 4 angeordnet. Es ist ein Merkmal, dass der Rohrleitungskanal 10 zwischen der Einlassseite der Saugvorrichtung 8 und dem Schornstein 7 bereitgestellt wird, damit das Abgas im Heizofen zur Außenseite des Ofens geführt wird und das Abgas im Schornstein 7 über das Ein/Ausschaltventil 9 in die Saugvorrichtung 8 gelangt. Ein Durchflussmessgerät 45a ist im Kanal 45 an der Einlassseite der Saugvorrichtung 8 stromaufwärts der Verbindung mit dem Rohrleitungskanal 10 angeordnet, damit die Saugmenge des Abgases von den Brennern gemessen wird und die Ein- und Ausschaltzeitpunkte des Ein/Ausschaltventils 9 ermittelt werden. Zudem ist ein Strömungsraten-Regelventil 45b zwischen der Verbindung mit dem Rohrleitungskanal 10 und dem Kanal 45 und der Saugvorrichtung 8 angeordnet, damit die Gesamtströmungsrate auf eine vorbestimmte Höhe geregelt wird.
In einem Heizofen mit dem beschriebenen Abgas-Abführweg wird für den Fall, dass die Verbrennungslast der Wärmerückgewinnungsbrenner abnimmt und das Gebläse 8 mit einer Last von beispielsweise weniger als 10% betrieben wird, das Ein/Ausschaltventil 9 im Rohrleitungskanal 10 geöffnet, damit das Abgas im Schornstein 7 in den Kanal 45 an der Einlassseite des Gebläses 8 gelangt und die Betriebslast der Saugvorrichtung 8 erhöht.
Wird das Abgas im Schornstein 7 in den Pfad 45 eingeführt, so wird die Temperatur des Abgases nach dem Mischen des Abgases im Schornstein und des Niedertemperatur-Abgases, das den Wärmerückgewinnungskörper durchläuft, so eingestellt, dass sie die Obergrenze des Gebläses 8 nicht überschreitet, d. h. insbesondere die Dauertemperatur des Propellers. Der Rohrdurchmesser für den Rohrleitungskanal 10 wird so gewählt, dass er die Strömungsrate des Abgases reguliert und gleichzeitig am Mischpunkt den Druckverlust zwischen dem Abgas im Schornstein und dem Niedertemperatur-Abgas ausgleicht, das den Wärmerückgewinnungskörper durchläuft. Das vermischte Abgas wird in die Saugvorrichtung 8 geführt.
Durch diesen Vorgang kann man leicht erreichen, dass die Betriebslast in der Saugvorrichtung 8 um beispielsweise 10% oder mehr zunimmt, wodurch die beschriebenen Probleme bei äußerst geringer Verbrennungslast bewältigt werden.
Die Abgaszufuhr aus dem Schornstein über den Rohrleitungskanal 10 wird beendet, falls die Saugmenge von den Brennern die erforderliche minimale Strömungsrate überschreitet. D. h., das Ein/Ausschaltventil 9 im Rohrleitungskanal 10 wird geschlossen. Die erforderliche minimale Strömungsrate bezeichnet eine Untergrenze des stabilen Betriebsbereichs gemäß dem Entwurf des Gebläses.
Die Strömungsrate des in das Gebläse 8 eingeführten Abgases kann man auch dadurch regulieren, dass man das Ein/Ausschaltventil 9 im Rohrleitungskanal 10 als Strömungsraten-Regelventil auslegt. Der Betrieb des Strömungsraten-Regelventils ist jedoch anfällig. Zusätzlich ist sein Mechanismus kompliziert und erhöht auch die Anlagekosten. In der Erfindung wird ein einfaches und bequemes Mittel eingesetzt, indem man einfach einen Rohrleitungskanal 10 mit einem vorbestimmten Rohrdurchmesser öffnet bzw. schließt.
Für diesen Fall kann man beispielsweise den Rohrdurchmesser des Rohrleitungskanals 10 anhand der folgenden Zusammenhänge (A) und (B) entwerfen: (Abgastaupunkt) ≤ Ta ≤ Tb ... (A) Δ P1 = Δ P2 ... (B)wobei gilt

Ta:: Temperatur des vermischten Abgases, so dass gilt V2 = V1·V3;
Tb:: oberer Grenzwert für die Dauertemperatur des Gebläses (dargestellt durch das Lager);
V1:: Saugmenge des Abgases bei der geringsten Verbrennung an den Brennern (äußerst geringe Last);
V2:: erforderliche minimale Strömungsrate der Abgase für einen stabilen Betrieb des Gebläses;
V3:: Abgasmenge, die die Differenz V2 – V1 ausgleicht;
Δ P1:: Druckverlust zwischen dem Brenner und dem Anschluss des Rohrleitungskanals an den Kanal 45;
Δ P2:: Druckverlust im Rohrleitungskanal 10.

Zudem ist, siehe 4, ein Wärmetauscher 7a stromaufwärts des Rohrleitungskanals 10 im Schornstein 7 angeordnet. Zum Verlängern der Lebensdauer des Gebläses 8 bevorzugt man, das Abgas im Ofen durch den Wärmetauscher 7a zu führen und das Abgas mit gesenkter Temperatur in den Rohrleitungskanal 10 zu geben.
Da in der beschriebenen Ausführungsform das Abgas im Heizofen nicht direkt vermischt wird, sondern das Abgas im Schornstein mit dem Abgas der Brenner vermischt wird, führt dies nicht zu äußeren Störungen des Drucks im Herd. Das Gas, das mit dem Abgas der Brenner vermischt wird, ist nicht auf das Abgas im Schornstein eingeschränkt.
Es kann sich auch um ein Gas mit hoher Temperatur handeln, d. h. ein Heißgas. Es kann beispielsweise auf hohe Temperatur erhitzte Luft sein, oder man ordnet eine eigene Verbrennungsvorrichtung an und mischt das dort erzeugte Verbrennungsabgas bei.
Das von dem Brenner 40a oder 40b in die Wärmerückgewinnungsbrenner gesaugte Abgas, siehe 2A und 2B, wird mit Hilfe des Zweiwegekanals 41a oder 41b an die Außenseite des Ofens geführt. Das Saugen des Abgases erfolgt über den in 17 dargestellten Pfad. Die Zweiwegekanäle 41a und 41b, die von mehreren Sätzen Wärmerückgewinnungsbrenner ausgehen, werden in den Abgasleitungen 8a und 8b gesammelt, die an jeder Brennergruppe zu beiden Seiten der Ofenwand angebracht sind. Danach münden die Abgasleitungen 8a und 8b in eine einzige Leitung 9. Die Leitung 9 steht über ein Sauggebläse 10 mit dem Schornstein 7 des Heizofens in Verbindung. Daraufhin wird das Abgas in den Schornstein 7 geführt und durch den Saugvorgang des Sauggebläses 10 aus dem Ofen abgeführt, und zwar über die Zweiwegekanäle 41a und 41b, die Abgasleitungen 8a und 8b und die Leitung 9.
In der Ausführungsform in 17 wird in dem beschriebenen Abgasabfühnnreg in der Mitte der Leitung 9 eine Sonde 11 angeordnet. Ein Teil des in der Leitung 9 strömenden Abgases wird von der Sonde 11 entnommen. Die Konzentration aller Inhaltsstoffe des entnommenen Abgases wird mit einem Analysegerät 19 gemessen. Verschiedene Arten der auf diese Weise erhaltenen gemessenen Konzentrationswerte zeigen deutlich die Verteilung der Ofenatmosphäre, und zwar insbesondere in Querrichtung des Ofens. Man kann sie als kennzeichnende Werte für die Konzentration der Inhaltsstoffe an den Positionen im Ofen verwenden, beispielsweise in der Durchwärmzone 3, in der sich die Wärmerückgewinnungsbrenner befinden.
Nun wurde eine Abweichung bezüglich der mittleren Sauerstoffkonzentration im Ofen für den Fall untersucht, dass Proben des aus den Wärmerückgewinnungsbrennern gesaugten Abgases entnommen wurden und die Sauerstoffkonzentration gemessen wurde, und für Fall, dass die Sauerstoffkonzentration mit Hilfe der Sonde gemessen wurde, die durch die Ofenwand eingeführt wurde. Das Ergebnis ist in 18 dargestellt. Werden Proben des aus den Wärmerückgewinnungsbrennern gesaugten Abgases zum Messen der Sauerstoffkonzentration entnommen, so kann man sehen, dass der Unterschied zur tatsächlichen mittleren Sauerstoffkonzentration im Ofen verschwindend gering ist. D. h., die tatsächliche Konzentration der Inhaltsstoffe in der Ofenatmosphäre kann man messen, indem man das Abgas untersucht, das aus den Wärmerückgewinnungsbrennern gesaugt wird. Die mittlere Sauerstoffkonzentration im Ofen ist ein berechneter Wert, der theoretisch abhängig von der Strömungsrate des dem Brenner zugeführten Gases, den Gasinhaltsstoffen und dem Luftverhältnis für die Zustände bestimmt wird, dass die Entnahmetür und die Beschickungstür geschlossen sind, sowie für die Bedingung, dass der Ofendruck so eingestellt ist, dass die in den Ofen eindringende Luft bei 0 Nm³/h liegt. Weitere Bedingungen werden in den folgenden Beispielen extra beschrieben.
Die Position zur Entnahme des aus den Wärmerückgewinnungsbrennern gesaugten Abgases liegt bevorzugt stromabwärts des Wärmerückgewinnungskörpers der Wärmerückgewinnungsbrenner in 17. Die Temperatur des Abgases, dem der Wärmerückgewinnungskörper Wärme entzogen hat, ist natürlich geringer als die Ofentemperatur. Setzt man die Sonde stromabwärts des Wärmerückgewinnungskörpers ein, so wird die Sonde nicht der Hochtemperaturatmosphäre ausgesetzt, und ihre Lebensdauer verlängert sich.
In den beschriebenen Ausführungsformen erfolgte die Beschreibung für den Fall eines kontinuierlichen Heizofens. Die Erfindung ist jedoch auf diskontinuierliche Heizöfen anwendbar oder Heizöfen mit rotierendem Herd.
Beispiel 1
Ein in 5 dargestellter kontinuierlicher Heizofen (Höhe des Transportwegs über dem Ofenboden: 0,5 m) wurde verwendet, in den Stahlbrammen mit jeweils 220 mm Dicke, 1200 mm Breite und 9800 mm Höhe eingeführt wurden. Es erfolgte ein Aufwärmvorgang von Raumtemperatur auf 1230°C. Die vier Sätze Wärmerückgewinnungsbrenner, die sich in der Durchwärmzone des Heizofens befanden, waren wie folgt spezifiziert.
Anmerkungen

Brennkapazität 20000000: (kcal/H: Brenner);
Verbrennungsumschaltzeit zwischen Brennerpaaren: 60 Sekunden/Zyklus;
Abgas-Saugverhältnis: 0,4–0,8 (–).

Bei Betrieb des beschriebenen Heizofens wurde das Saugverhältnis des Abgases der Brenner abhängig von der Verbrennungslast für den gesamten Heizofen unterschiedlich eingestellt, damit der Ofendruck reguliert wurde, siehe Tabelle 1. Als Vergleich wurde ein bekannter Betriebszustand gefahren, bei dem das Saugverhältnis des Abgases konstant eingestellt ist. Dadurch kann man den Ofendruck unter verschiedenen Bedingungen der Verbrennungslast beim tatsächlichen Heizofenbetrieb stabil regeln. Zudem konnte man, siehe Tabelle 2, die Sauerstoffkonzentration im Ofen beträchtlich senken. Das Brennstoffverbrauchsverhältnis und das Brammenschadensverhältnis konnte verglichen mit dem bekannten Verfahren gesenkt werden.
Zudem wird das Verhältnis zwischen dem Ofendruck und der Menge an eindringender Luft im unteren Bereich der Durchwärmzone bei dem beschriebenen Betrieb gemittelt und ausgeglichen, siehe 7.
Beispiel 2
Ein in 8 dargestellter kontinuierlicher Heizofen (Höhe des Transportwegs über dem Ofenboden: 0,5 m) wurde verwendet, in den Stahlbrammen mit jeweils 220 mm Dicke, 1200 mm Breite und 9800 mm Höhe eingeführt wurden. Es erfolgte ein Aufwärmvorgang von Raumtemperatur auf 1230°C.
Es galten die folgenden Betriebsbedingungen.
Anmerkungen

Heizofen(Brenner)-Verbrennungslast: 10–100%;
Verdünnungsluft-Strömungsrate: 0–50000 Nm³/h;
Abgastemperatur am Einlass des Wärmetauschers: 750°C oder weniger;
Öffnungsgrad des Schiebers im Schornstein: 5–100%.

Bei Betrieb des beschriebenen Heizofens wurde für den Fall, dass die Abgastemperatur am Einlass des Wärmetauschers auf 750°C oder mehr stieg, oder dass der Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone auf 0 mm Wassersäule oder weniger sank, Verdünnungsluft unter der Bedingung zugeführt, dass für die Abgastemperatur am Einlass des Wärmetauschers gilt: ≤ bis 750°C, und für den Ofendruck im unteren Bereich der Durchwärmzone: > 0 mm Wassersäule. Zudem erfolgte zu Vergleichszwecken auch ein Betrieb, bei dem keine Regelung des Ofendrucks durch Verdünnungsluft vorgenommen wurde.
Bei den beschriebenen Betriebsvorgängen wurden der Ofendruck im unteren Bereich und die Sauerstoffkonzentration im unteren Bereich der Durchwärmzone gemessen, wobei die Verbrennungslast im Heizofen verschiedentlich geändert wurde und die Entnahmetür geschlossen war. Wie die Messergebnisse in 10 zeigen, konnte der Druck im Ofen auf einem Überdruck gehalten werden, und die Sauerstoffkonzentration konnte auf einer geringen Höhe gehalten werden, wenn der Ofendruck durch Verdünnungsluft geregelt wurde. Im Gegensatz dazu schwankten bei der bekannten Ofendruckregelung nur über den Schieber sowohl der Ofendruck als auch die Sauerstoffkonzentration stark.
In einem ähnlichen Betriebsvorgang wurden der Ofendruck und die Sauerstoffkonzentration in gleicher Weise für die geöffnete und die geschlossene Entnahmetür gemessen.
Die Messergebnisse in 11 und 12 zeigen jeweils, dass man auch beim Öffnen bzw. Schließen der Entnahmetür den Ofendruck auf einem Überdruck halten kann, und dass man die Sauerstoffkonzentration auch auf einem geringen Pegel halten kann, wenn man den Ofendruck mit Verdünnungsluft reguliert.
Beispiel 3
Im kontinuierlichen Heizofen in 1 erfolgte ein Erwärmungsvorgang der Stahlbrammen von Raumtemperatur auf 1150°C. Bei der Entnahme der Stahlbrammen nach dem Erwärmen über die Entnahmetür 3a wurden die Heizbrenner 40a und 40b an der Entnahmeseite mit einer Verbrennung entsprechend den Bedingungen in Tabelle 3 betrieben. Bei dem Betrieb, bei dem der kontinuierliche Heizofen verwendet wurde, in dem die Trennwand 8 in 15 im kontinuierlichen Heizofen in 1 gemäß der folgenden Spezifikation angeordnet war, wurden die Stahlbrammen unter den Bedingungen in Tabelle 3 entnommen. Zudem erfolgte zu Vergleichszwecken auch ein bekannter Betrieb des Heizofens, bei dem die Heizbrenner 40a und 40b an der Entnahmeseite unter den gleichen Bedingungen betrieben wurden wie die anderen Heizbrenner 4.
Das Messergebnis für die Lufteindringmenge in den Heizofen und die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der Durchwärmzone sind ebenfalls miteinander in Tabelle 3 dargestellt.
Anmerkungen

Höhe der Trennwand: 1,2 Meter vom Herd;
Breite: identisch mit der Ofenbreite.

Beispiel 4
Ein in 1 dargestellter kontinuierlicher Heizofen (Höhe des Transportwegs über dem Ofenboden: 0,5 m) wurde verwendet, in den Stahlbrammen mit jeweils 220 mm Dicke, 1200 mm Breite und 9800 mm Höhe eingeführt wurden. Es erfolgte ein Aufwärmvorgang von Raumtemperatur auf 1230°C. Die vier Sätze Wärmerückgewinnungsbrenner, die sich in der Durchwärmzone des Heizofens befanden, waren wie folgt spezifiziert.
Anmerkungen

Brennkapazität 2000000: (kcal/H: Brenner);
Verbrennungslast: 10–100%;
Verbrennungsumschaltzeit zwischen Brennerpaaren: 60 Sekunden/Zyklus;
Saugverhältnis des Abgases: 60–90%.

Bei Betrieb des beschriebenen Heizofens wurde nach dem Durchführen des Abgases, das von den Wärmerückgewinnungsbrennern durch den Wärmerückgewinnungskörper gesaugt wurde, ein Teil des Abgases mit der Sonde 11 entnommen, die in der Mitte der Leitung 9 eingeführt war. Die Sauerstoffkonzentration im entnommenen Abgas wurde mit Hilfe des Analysegeräts 12 gemessen. Der Bereich zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Ofen betrug 0 bis 21 Volumenprozent, und die Atmosphärentemperatur im Rohr der Leitung 9 betrug 200°C. Als Vergleich wurde die Sauerstoffkonzentration mit einer Sonde gemessen, die über die Ofenwand der Durchwärmzone eingeführt wurde.
Das Vergleichsergebnis der gemessenen Konzentrationswerte mit der mittleren Sauerstoffkonzentration im Ofen entspricht 18. Für das Messen des aus den Wärmerückgewinnungsbrennern gesaugten Abgases gemäß der Erfindung betrug der Fehler bezogen auf den mittleren Sauerstoffkonzentrationswert im Ofen weniger als 0,5%. Im Gegensatz dazu betrug beim Messen der Sauerstoffkonzentration über die Sonde, die in die Ofenwand eingeführt wurde, der Fehler bezogen auf den mittleren Sauerstoffkonzentrationswert im Ofen 1 bis 3%.
Anwendbarkeit in der Industrie
Wie beschrieben kann man mit Hilfe der Erfindung den Ofendruck strikt regeln. Durch die Ofendruckregelung kann man das Eindringen von Luft über die Entnahmetür in den Heizofen zuverlässig verhindern. Eine Qualitätsverschlechterung der zu erwärmenden Materialien kann verhindert werden. Der Brennstoffverbrauch im Heizofen lässt sich verbessern. Gemäß der Erfindung wird der Betrieb der Saugvorrichtung für das Abgas nicht instabil, wenn die Verbrennungslast der Wärmerückgewinnungsbrenner gering ist. Da keine Kondensate ausgebildet werden, wird der Heizofenbetrieb stabilisiert. Gemäß der Erfindung kann man die Konzentration der Inhaltsstoffe in der Atmosphäre im Heizofen exakt messen. Durch die Regulierung der Atmosphäre im Ofen abhängig von den Messwerten kann man Produkte mit hoher Qualität erzeugen. Da man zudem das Messverfahren zum Messen der Konzentration der Inhaltsstoffe in der Atmosphäre im Heizofen gemäß der Erfindung mit Hilfe vorhandener Anlagen ausführen kann, sind keine zusätz lichen Anlageninvestitionen erforderlich, und man kann das Verfahren mit verringerten Kosten umsetzen. Tabelle 1
Tabelle 2

(*) Dargestellt durch einen Index, der auf dem Ergebnis des bekannten Beispiels beruht, das auf den Wert 1 gesetzt wird (bei einem kleineren Wert ist das Ergebnis besser)

Claims

Verfahren zum Regeln eines Ofendrucks unter Verwendung von Wärmerückgewinnungsbrennern in einem Heizofen, der aufweist: eine Vorwärmzone, eine Heizzone und eine Durchwärmzone, in der zahlreiche Sätze Wärmerückgewinnungsbrenner, die jeweils ein Paar Brenner aufweisen, die jeweils einen Rückgewinnungskörper umfassen und einander gegenüberliegen, als Wärmequelle für die Durchwärmzone angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: das abwechselnde Betreiben der Brenner eines jeden Paars Wärmerückgewinnungsbrenner, das Saugen des Abgases im Ofen aus den Brennern während eines Zustands ohne Verbrennungsvorgang, das Einführen des Abgases in den Wärmerückgewinnungskörper, wodurch die Wärme im Abgas in den Wärmerückgewinnungskörper zurückgewonnen wird, und das Verwenden der zurückgewonnenen Wärme für das Aufheizen der Verbrennungsluft der Brenner während eines Brennzustands, wodurch der Betrieb des Heizofens erfolgt, wobei das Saugverhältnis des Abgases vom Brenner in den Wärmerückgewinnungskörper abhängig von der Verbrennungslast auf dem gesamten Heizofen geregelt wird, um den Ofendruck in der Durchwärmzone zu regeln, und das Saugverhältnis das Verhältnis der Abgasmenge ist, die in die Wärmerückgewinnungsbrenner gesaugt wird, bezogen auf die Abgasmenge, die während des Brennvorgangs der Wärmerückgewinnungsbrenner erzeugt wird.