Kupolofen heißwindbetrieben

Allgemein
Gegenüber dem Kaltwindbetrieb bringt der Heißwindbetrieb eine beachtliche Verbesserung. Die Wirtschaftlichkeit wird gesteigert, desgleichen kann Stahlschrott eingesetzt und eine verhältnismäßig hohe Rinnentemperatur treffsicher erreicht werden. Die Schmelzzone liegt dabei näher an den Düsen als beim Kaltwind-Kupolofen. Die Schwankungen der Eisenzusammensetzung sind im Vergleich zum Kaltwindofen geringer. Wie aus Bild  1 hervorgeht, nimmt mit steigender Windtemperatur die Energiedichte in der Verbrennungszone zu, und diese Verbrennungszone verlagert sich in Richtung der Düsen. Die maximale Temperatur wird in einer gewissen Höhe über der Düsenebene erreicht. Ferner zeigt Bild  1, dass sich die Ofentemperatur in der Verbrennungszone erhöht, während sich die Gichtgastemperaturen (in größerer Entfernung über den Düsen) nicht ändern.

Bei Heißwindbetrieb wird hocherhitzte Verbrennungsluft den Winddüsen zugeführt; die Windtemperatur beträgt etwa 400 bis 600 °C.

Die Abwärme des Gichtgases wird für die Windvorwärmung mit und ohne Gichtgasverbrennung nenutzt. Dafür wird ein Rekuperator (Wärmetauscher), der den Gebläsewind durch heißes Kupolofengichtgas erhitzt, verwendet. Das Kupolofengichtgas enthält Kohlenmonoxid das nachverbrannt werden muss, und die entstandenen Verbrennungsgase stehen dann dem Rekuperator direkt für die Wärmerückgewinnung zur Verfügung. Anschließend ist das Gas zu reinigen, das heißt der Staubanteil muss abgeschieden werden.

Konstruktiv wird beim Rekuperatorbetrieb unterschieden, ob das Kupolofengichtgas unterhalb oder oberhalb der Begichtungsebene vom Ofen abgeleitet wird. Erfolgt dies unterhalb dieser Ebene, wird das Kohlenmonoxid in einer angebauten Kammer verbrannt. Zieht man die Abgase jedoch erst oberhalb der Begichtungsöffnung ab, werden sie zunächst im Kamin weitergeführt und hier durch sogenannte Nachbrenner verbrannt. Zur Verminderung der Explosionsgefahr ist es wichtig, dass das im Gichtgas enthaltene Kohlenmonoxid möglichst unmittelbar nach Verlassen der Koks-Gattierungssäule verbrannt wird.

Bild 2 zeigt einen Rekuperator zur Heißwinderzeugung. Die heißen Abgase strömen von oben ein. Sie gelangen zunächst in einen Strahlungsteil, danach in einen Konvektionsteil und verlassen den Rekuperator am unteren Ende. Im Konvektionsteil befinden sich hohle Lamellenkörper, in denen die zu erhitzende Luft im Gegenstrom nach oben geführt wird. Außerdem strömt ein Teil der Luft auch im Ringkanal zwischen Außen- und Innenmantel des Rekuperators nach oben.

Bild 3 zeigt eine Doppelofenanlage mit dem zwischen beiden Ofenschächten befindlichen Rekuperator. Das Kupolofengichtgas wird hier oberhalb der Begichtungsebene abgesaugt und dem Rekuperator ist ein Verdunstungskühler nachgeschaltet. Zur Regelung der Heißwindtemperatur wird bei dieser Anlage Wasser in den oberen Teil des Abgaskamins gedüst.

Eine Anlage mit Gichtgasabzug unterhalb der Begichtungsebene ist in Bild 4 dargestellt. Es ist also ein kaminloser Kupolofen.

Die Verbrennung des Kohlenmonoxids geschieht in einer Verbrennungskammer, die dem Rekuperator unmittelbar vorgeschaltet ist. Die Temperatur im unteren Teil der Verbrennungskammer wird durch Einblasen von Luft und Eindüsen von Wasser auf maximal rund 900 °C gehalten. Eine weitere Wassereindüsung am oberen Ende der Verbrennungskammer regelt die Abgastemperatur am Eintritt in den Rekuperator in der Weise, dass sich die jeweils gewünschte Heißwindtemperatur einstellt. Die den Rekuperator verlassenden Abgase werden in einem Verdunstungskühler auf etwa 250 °C heruntergekühlt, bevor sie das Sauggebläse und die Filteranlage durchströmen.

Mit dem Heißwind wird dem Kupolofen zusätzliche Wärme zugeführt. Je höher die Heißwindtemperatur, desto höher ist auch die Wärmezufuhr, die eigentlich eine Wärmerückführung ist, die aus der Verbrennung des Kupolofen-Gichtgases stammt. Dadurch erhöht sich die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage. Mit der höheren Windtemperatur wird aber nicht nur die Temperatur in der Oxidationszone des Kupolofens gesteigert, sondern auch die Temperatur des Gichtgases. Da mit steigender Windtemperatur die Koksverbrennung intensiver und folglich die Oxidationszone schmaler wird, verkürzt sich dadurch auch die Füllkokshöhe. Eine ausreichende Füllkokshöhe ist notwendig, um das Eisen in dieser Durchtropfzone entsprechend aufkohlen zu können.

Mit einer Schmelz-Satzkoksmenge von weniger als 8 % sind Flüssigeisentemperaturen von über 1540 °C bei der gewünschten chemischen Zusammensetzung erzielbar. Voraussetzung dafür ist, dass der am Kupolofen benötigte Wind im Rekuperator auf etwa 650 °C vorgewärmt wird und mit etwa 600 °C an den Heißwinddüsen ansteht.

Mit Mess- und Regelanlagen können die hohen Windvorwärmtemperaturen trotz schwankendem Gichtgasangebot in Menge und CO-Gehalt konstant gehalten werden. Diese exakte Regelung ermöglicht erst den Betrieb mit hohen Heißwindtemperaturen ohne negative Auswirkungen auf die Analysenbreite der einzelnen Elemente in der Gusseisenzusammensetzung bei maximaler Nutzung der beim Kupolofenbetrieb anfallenden Gichtgase. Die konstante Heißwindtemperatur ist eine Voraussetzung für eine konstante Gleichgewichtstemperatur und somit auch für eine konstante chemische Zusammensetzung bei dem hohen thermischen Wirkungsgrad der Schmelzanlage. Letzterer erreicht für eine Flüssigeisentemperatur von 1540 °C immerhin noch etwa 45 % bei einer Heißwindtemperatur an den Düsen von circa 500 °C beziehungsweise 50 % bei 600 °C.

Die vollkommen verbrannten und damit CO-freien Abgase können hinter dem Rekuperator an einer Öffnung erfasst und wirtschaftlich entstaubt werden. Dabei können auch Schwefeldioxid und andere Schadstoffe beseitigt werden. Die Einhaltung der vorgegeben Umweltvorschriften und -gesetze ist mit dem modernen Betrieb des Kupolofens möglich.

Bild 1: Temperaturverlauf im Kupolofen bei verschiedenen Windtemperaturen (nach E. Piwowarski und H. Krämer)© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Aufbau eines Heißwindrekuperators© GIESSEREI LEXIKON
Bild 3: Doppelofenanlage mit Gichtgasabzug oberhalb der Begichtungsebene, Rekuperator und nachgeschaltetem Verdunstungskühler© GIESSEREI LEXIKON
Bild 4: Kupolofen mit Gichtgasabzug unterhalb der Begichtungsebene, Verbrennungskammer, Rekuperator und Verdunstungskühler© GIESSEREI LEXIKON