BE1031971B1 - Ein wasserstoffheizsystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich der Metallurgietechnik und betrifft ein Wasserstoff-Heizsystem, das einen Konvektionsabschnitt und einen Strahlungsabschnitt umfasst, die miteinander verbunden sind. Im Strahlungsabschnitt ist ein gemischtes Heizrohr zur Erhitzung von Wasserstoff angeordnet. Im Konvektionsabschnitt befinden sich unabhängig voneinander ein Brenngasheizrohr, ein Verbrennungsluftheizrohr, ein Nachfüllwasserstoffheizrohr und ein zirkulierendes Wasserstoffheizrohr. Sowohl das Nachfüllwasserstoffheizrohr als auch das zirkulierende Wasserstoffheizrohr sind mit dem gemischten Heizrohr verbunden. Das Brenngasheizrohr und das Verbrennungsluftheizrohr sind ebenfalls mit dem Strahlungsabschnitt verbunden, wo sie miteinander vermischt und verbrannt werden, um den im gemischten Heizrohr enthaltenen Wasserstoff zu erhitzen. Diese Erfindung ermöglicht die Rückgewinnung von Abwärme aus Hochtemperatur-Abgasen im Ofen. Zudem kann das Brenngas durch Wasserstoff ersetzt werden, anstelle traditioneller kohlenstoffbasierter Brennstoffe (wie Erdgas oder Stadtgas), wodurch der Heizprozess vollständig ohne den Verbrauch kohlenstoffhaltiger Materialien durchgeführt wird und eine wirklich grüne, umweltfreundliche und kohlenstoffarme Heizmethode erreicht wird.

Description

BESCHREIBUNG

EIN WASSERSTOFFHEIZSYSTEM

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich der Metallurgietechnik und betrifft ein Wasserstoffheizsystem.

Stand der Technik

Im Vergleich zu herkömmlichen Hochofenverfahren bietet das

Direktreduktionsverfahren zur Eisenherstellung den Vorteil eines kürzeren

Prozesses, den Verzicht auf Kokskohle sowie signifikante

Energieeinsparungen und Emissionsreduzierungen. Es stellt einen wichtigen Entwicklungsschritt in Richtung kohlenstoffarme und umweltfreundliche Metallurgie dar. Die gasbasierte Schachtofenmethode ist die derzeit weltweit führende Technologie zur Direktreduktion von Eisen.

Aktuell in Betrieb befindliche Schachtöfen verwenden überwiegend Erdgas als Rohstoff, und in den letzten Jahren hat China begonnen, Prozesse zu erforschen, bei denen Koksofengas als Rohstoffgas genutzt wird.

Unabhängig davon, ob Erdgas, Koksofengas oder Kohlegas als Gasquelle für die Direktreduktion verwendet wird, basieren diese Verfahren im

Wesentlichen weiterhin auf kohlenstoffbasierten Rohstoffen, bei denen

Kohlenmonoxid und Wasserstoff als Reduktionsgase erzeugt werden.

Dadurch lassen sich Kohlenstoffemissionen nicht vollständig vermeiden.

Vor dem Hintergrund, dass Kohlenstoffemissionen reduziert und die

Kohlenstoffneutralität erreicht werden sollen, ist die Verwendung von

Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien erzeugt wird ("grüner

Wasserstoff”), anstelle des kohlenstoffbasierten "grauen Wasserstoffs" der zukünftige Entwicklungstrend. Der Einsatz eines vollständig wasserstoffbasierten Schachtofens und eines Heizsystems, das reinen

Wasserstoff auf die für den Schachtofen benötigte Temperatur erhitzt, ist derzeit weltweit noch nicht realisiert.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein

Wasserstoffheizsystem bereitzustellen, das für die Bereitstellung von

Hochtemperatur-Wasserstoffreduktionsgas für Schachtöfen geeignet ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung die folgende technische Lösung:

Ein Wasserstoffheizsystem, das ein miteinander verbundenes

Konvektionssegment und ein Strahlungssegment umfasst. Im

Strahlungssegment ist ein Mischheizrohr zur Erwärmung von Wasserstoff angeordnet, während im Konvektionssegment unabhängig voneinander ein Brennstoffgasrohr, ein Verbrennungsluftrohr, ein zusätzliches

Wasserstoffrohr und ein zirkulierendes Wasserstoffrohr vorgesehen sind.

Das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende Wasserstoffrohr sind jeweils mit dem Mischheizrohr verbunden; das Brennstoffgasrohr und das Verbrennungsluftrohr sind beide mit dem Strahlungssegment verbunden, wo sie zusammen verbrennen, um den Wasserstoff im

Mischheizrohr zu erwärmen.

Optional kann das Konvektionssegment über dem Strahlungssegment angeordnet sein, um die Abwärme des Strahlungssegments zu nutzen.

Optional sind das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende

Wasserstoffrohr auf der dem Strahlungssegment zugewandten Seite des

Konvektionssegments angeordnet.

Optional umfasst das System einen Gebläseventilator, der über ein

Abgasrohr mit dem Konvektionssegment verbunden ist, und der

Gebläseventilator ist mit einem Schornstein verbunden.

Optional ist am unteren Ende des Schornsteins eine

Entwässerungsvorrichtung angebracht.

Optional ist ein Sammelrohr außerhalb des Strahlungssegments angebracht, wobei der Wasserstoff im zusätzlichen Wasserstoffrohr und im zirkulierenden Wasserstoffrohr im Sammelrohr gemischt und anschließend in das Mischheizrohr geleitet wird.

Optional sind mehrere Gruppen von Mischheizrohren parallel im

Strahlungssegment angeordnet.

Optional umfasst das Strahlungssegment mindestens eine Gruppe von Brennern.

Optional sind das Konvektionssegment und das Strahlungssegment parallel angeordnet.

Optional ist im Abgasrohr ein Wärmetauscher angebracht, der zur

Vorwärmung des Brennstoffgases und der Verbrennungsluft in den

Brennstoffgas- und Verbrennungsluftrohren dient.

Optional werden der zusätzliche Wasserstoff und der zirkulierende

Wasserstoff extern gemischt und dann in das Konvektionssegment geleitet.

Das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende Wasserstoffrohr werden zu einem Mischwasserstoffrohr zusammengeführt oder als parallele Mischwasserstoffrohre angeordnet.

Vorteile der Erfindung: 1. Die vorliegende Erfindung nutzt die

Hochtemperaturabgase des Strahlungssegments zur Vorwärmung der Rohre im Konvektionssegment. Der zu erwämende zirkulierende Wasserstoff und der externe zusätzliche Wasserstoff werden im vorderen Bereich des Konvektionssegments in den zirkulierenden Wasserstoffronren und den zusätzlichen

Wasserstoffrohren durch die Hochtemperaturabgase vorgewärmt und im Sammelrohr am Eingang des Strahlungssegments gemischt.

Gleichzeitig werden Brennstoffgas und Verbrennungsluft im hinteren

Bereich des Konvektionssegments in den Brennstoffgasrohren und den Verbrennungsluftrohren durch die Abgase vorgewärmt. Durch den konvektiven Wärmeaustausch zwischen den

Hochtemperaturabgasen und den Rohren im Konvektionssegment wird die Abwärme der abgeleiteten Hochtemperaturabgase zurückgewonnen. 2. Die Erfindung bietet eine technische Lôsung, bei der das

Konvektionssegment und das Strahlungssegment kompakt übereinander angeordnet sind, wodurch der Heizofen eine kompakte Struktur aufweist und nur wenig Platz benötigt. 3. In der Erfindung werden Brennstoffgas und der zu erhitzende Wasserstoff separat transportiert, und als Brennstoffgas wird Wasserstoff verwendet, sodass das gesamte Heizsystem kein zusätzliches CO2 erzeugt. Dies schafft die Voraussetzungen für die kohlenstoffarme und umweltfreundliche Direktreduktion mit einem vollständig wasserstoffbasierten Schachtofen. Kurzfristig kann bei wirtschaftlichen Problemen in Bezug auf die

Brennstoffwasserstoffversorgung auch kohlenstoffbasiertes

Brennstoffgas zur Wasserstofferwärmung verwendet werden, ohne die Reinheit des ausgehenden Wasserstoffs zu beeinträchtigen.

Andere Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und werden für Fachleute durch

Untersuchung der Beschreibung offensichtlich oder durch die Praxis der

Erfindung gelehrt. Die Ziele und anderen Vorteile der Erfindung können durch die nachfolgende Beschreibung und deren Umsetzung realisiert und erreicht werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Um die Ziele, technischen Lösungen und Vorteile der vorliegenden

Erfindung deutlicher zu machen, wird im Folgenden anhand der

Zeichnungen eine bevorzugte detaillierte Beschreibung der Erfindung gegeben.

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Gesamtstruktur der Erfindung.

Zeichnungslegende: 1 — Strahlungssegment, 2- Heizsegment, 3 — Abgasrohr, 4 — Gebläseventilator, 5 — Schornstein, 6 — Entwässerungsvorrichtung, 7 — Steuersystem, 1-1 — Sammelrohr, 1-2 — Wasserstoffauslassrohr,

1-3 — Brenner, 1-4 — Mischheizrohr, 1-5 — Brennkammer, 2-1 — Brennstoffgasrohr, 5 2-2 — Verbrennungsluftrohr, 2-3 — zusätzliches Wasserstoffrohr, 2-4 — zirkulierendes Wasserstoffrohr.

Ausführungsformen der Erfindung

Die folgenden spezifischen Beispiele veranschaulichen die

Ausführungsformen der Erfindung. Fachleute auf diesem Gebiet können die weiteren Vorteile und Wirkungen der Erfindung leicht aus dem Inhalt dieser Beschreibung erkennen. Die Erfindung kann auch in verschiedenen weiteren Ausführungsformen durchgeführt oder angewendet werden. Die Details dieser Beschreibung können je nach verschiedenen Gesichtspunkten und Anwendungen modifiziert oder verändert werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den folgenden Ausführungsbeispielen bereitgestellten Illustrationen nur der Veranschaulichung der

Grundidee der Erfindung dienen. In Fällen ohne Widerspruch können die folgenden Beispiele und ihre Merkmale kombiniert werden.

Die Abbildungen dienen lediglich der veranschaulichenden

Darstellung und stellen keine realen Produkte dar. Sie dürfen nicht als

Einschränkung der Erfindung verstanden werden. Um die

Ausführungsbeispiele der Erfindung besser zu veranschaulichen, wurden einige Teile der Zeichnungen weggelassen, vergrößert oder verkleinert. Die tatsächlichen Produktgrößen können von den gezeigten abweichen. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist es verständlich, dass einige allgemein bekannte Strukturen und deren

Beschreibung in den Abbildungen weggelassen wurden.

In den Zeichnungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich gleiche oder ähnliche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bauteile. In der Beschreibung der Erfindung ist zu verstehen,

dass die Begriffe „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „vorn“, „hinten“ usw. lediglich zur Veranschaulichung von Positionen oder Verhältnissen auf der Grundlage der in den Abbildungen gezeigten Positionen verwendet werden. Sie sollen die Beschreibung der Erfindung erleichtern und vereinfachen, aber sie sollen nicht zwingend eine bestimmte Position oder Konstruktion der Bauteile implizieren. Die in den Abbildungen beschriebenen Begriffe für Positionsverhältnisse dienen nur der

Veranschaulichung und sollen nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden. Fachleute können den genauen Sinn dieser

Begriffe je nach Situation verstehen.

Bitte beachten Sie Abbildung 1, die ein Wasserstoffheizsystem zeigt, bei dem der Heizofen aus zwei Teilen besteht: dem

Konvektionssegment 2 und dem Strahlungssegment 1. Der

Wasserstoff wird im Heizofen auf eine hohe Temperatur erhitzt und dann zum Verbraucher geleitet. Die Hochtemperaturabgase, die nach der Verbrennung des Brennstoffgases entstehen, durchlaufen das

Konvektionssegment 2 des Heizofens, um Abwärme zurückzugewinnen, bevor sie in das Abgasrohr 3 geleitet werden und durch den

Gebläseventilator 4 und den Schornstein 5 in die Atmosphäre abgeführt werden. Das Kondenswasser in den Abgasen wird durch die

Entwässerungsvorrichtung 6 am unteren Ende des Schornsteins gesammelt und abgeleitet.

Im Konvektionssegment 2 des Heizofens befinden sich mehrere

Rohrgruppen für unterschiedliche Medien. Der zu erwärmende zirkulierende Wasserstoff und der externe zusätzliche Wasserstoff werden im vorderen Teil des Konvektionssegments durch die zirkulierenden Wasserstoffrohre 2-4 und die zusätzlichen

Wasserstoffrohre 2-3 von Hochtemperaturabgasen auf 400 °C bis 500 °C vorgewärmt und dann im Sammelrohr 1-1 am Eingang des

Strahlungssegments gemischt. Gleichzeitig werden das Brennstoffgas und die Verbrennungsluft im hinteren Teil des Konvektionssegments durch die Brennstoffgasrohre 2-1 und die Verbrennungsluftrohre 2-2 von Abgasen auf 150 °C bis 250 °C vorgewärmt. Nachdem die

Hochtemperaturabgase mit den Rohren im Konvektionssegment durch konvektiven Wärmeaustausch in Wechselwirkung getreten sind, sinkt die Abgastemperatur auf 110 °C bis 180 °C, wodurch die Abwärme der abgeleiteten Hochtemperaturabgase zurückgewonnen wird.

In einigen spezifischen Ausführungsformen wird im

Konvektionssegment 2 des Heizofens nur der zirkulierende und der zusätzliche Wasserstoff vorgewärmt, während das Brennstoffgas und die Verbrennungsluft durch einen separaten Wärmetauscher im

Abgasrohr 3 hinter dem Heizofen vorgewärmt werden.

In einigen spezifischen Ausführungsformen werden der zusätzliche Wasserstoff und der zirkulierende Wasserstoff extern gemischt und dann in das Konvektionssegment 2 geleitet. Im

Konvektionssegment werden das zusätzliche Wasserstoffrohr 2-3 und das zirkulierende Wasserstoffrohr 2-4 zu einem Mischwasserstoffrohr zusammengeführt oder als parallele Mischwasserstoffrohre angeordnet.

Das Strahlungssegment 1 des Heizofens enthält mehrere Gruppen von Mischheizrohren 1-4 und mindestens eine Gruppe von Brennern 1-3. Der im Konvektionssegment vorgewärmte Mischwasserstoff wird durch die Mischheizrohre 1-4 geleitet, während das Brennstoffgas und die Verbrennungsluft den Brennern 1-3 in der Brennkammer 1-5 zugeführt werden. Durch Strahlungswärme wird der Mischwasserstoff in den Mischheizrohren 1-4 auf die erforderliche Temperatur von 850 °C bis 1000 °C erhitzt und nach der Erwärmung durch das

Wasserstoffauslassrohr 1-2 in den Schachtofen oder zu anderen

Verbrauchern geleitet.

Das Konvektionssegment 2 und das Strahlungssegment 1 des

Heizofens sind in einer kompakten Struktur übereinander angeordnet, wobei das Konvektionssegment 2 über dem Strahlungssegment 1 angeordnet ist. Diese Anordnung sorgt für eine platzsparende

Gesamtstruktur des Heizofens. In einigen spezifischen

Ausführungsformen können das Konvektionssegment 2 und das

Strahlungssegment 1 auch horizontal nebeneinander angeordnet sein.

Bevorzugt wird Wasserstoff als Brennstoffgas im Heizofen verwendet, sodass bei der Verbrennung von Brennstoffwasserstoff keine zusätzlichen CO2-Emissionen entstehen. In einigen spezifischen

Ausführungsformen kann aus wirtschaftlichen Gründen auch kohlenstoffbasiertes Brennstoffgas wie Erdgas verwendet werden.

Obwohl die Abgase des Heizofens dann einen zusätzlichen

CO2-AusstoB enthalten, bleibt der für den Schachtofen bereitgestellte

Hochtemperaturwasserstoff rein und frei von zusätzlichem CO2.

Die Entwässerungsvorrichtung 6, die sich am unteren Ende des

Schornsteins 5 befindet, dient der Sammlung und Ableitung von

Kondenswasser, das durch das Abkühlen der Abgase am Endpunkt des Prozesses entsteht. Speziell erfolgt die Kondenswasserableitung automatisch und ist mit einer Wasserdichtung ausgestattet, um zu verhindern, dass Abgase mit dem Kondenswasser entweichen.

Das Wasserstoffheizsystem verwendet das Steuersystem 7 zur automatischen Regelung der Gasmenge und der Temperatur, um die

Prozessanforderungen der Verbraucher zu erfüllen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich dazu dienen, die technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, und diese nicht einschränken sollen. Obwohl die

Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele detailliert erläutert wurde, sollten Fachleute verstehen, dass Modifikationen oder äquivalente Änderungen der technischen Lösungen der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der

Erfindung zu verlassen. Solche Modifikationen oder Änderungen fallen ebenfalls unter den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE

1. Ein Wasserstoffheizsystem, dadurch gekennzeichnet, dass es ein miteinander verbundenes Konvektionssegment und ein Strahlungssegment umfasst; im Strahlungssegment ist ein Mischheizrohr zur Erwärmung von Wasserstoff angeordnet, während im Konvektionssegment unabhängig voneinander ein Brennstoffgasrohr, ein Verbrennungsluftrohr, ein zusätzliches Wasserstoffrohr und ein zirkulierendes Wasserstoffrohr vorgesehen sind; das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende Wasserstoffrohr sind jeweils mit dem Mischheizrohr verbunden; das Brennstoffgasrohr und das Verbrennungsluftrohr sind beide mit dem Strahlungssegment verbunden, wo sie zusammen verbrennen, um den Wasserstoff im Mischheizrohr zu erwärmen; das Konvektionssegment ist üÜberlappend über dem Strahlungssegment angeordnet, um die Abwärme der Abgase im Strahlungssegment zu nutzen; das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende Wasserstoffrohr sind auf der dem Strahlungssegment zugewandten Seite des Konvektionssegments angeordnet; ferner umfasst es ein Sammelrohr, das außerhalb des Strahlungssegments angeordnet ist, wobei der Wasserstoff im zusätzlichen Wasserstoffrohr und im zirkulierenden Wasserstoffrohr im Sammelrohr vermischt und anschließend in das Mischheizrohr geleitet wird; im Strahlungssegment sind mehrere Gruppen von Mischheizrohren parallel angeordnet; das Konvektionssegment und das Strahlungssegment sind parallel angeordnet.

2. Wasserstoffneizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Gebläseventilator umfasst, der Über ein Abgasrohr mit dem Konvektionssegment verbunden ist, wobei nach dem Gebläseventilator ein Schornstein angeschlossen ist.

3. Wasserstoffheizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schornstein an seinem unteren Ende mit einer Entwässerungsvorrichtung versehen ist.

4. Wasserstoffheizsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr mit einem Wärmetauscher ausgestattet ist, der zur Vorwärmung des Brennstoffgases und der Verbrennungsluft in den Rohren für Brennstoffgas und Verbrennungsluft dient.

5. Wasserstoffheizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wasserstoff und der zirkulierende Wasserstoff extern gemischt und dann in das Konvektionssegment geleitet werden; das zusätzliche Wasserstoffrohr und das zirkulierende Wasserstoffrohr werden zu einem Mischwasserstoffrohr zusammengeführt oder als parallele Mischwasserstoffrohre angeordnet.