Terfahren zur Ausnutzung der in den Abgasen von industriellen Öfen zur Herstellung chemischer Produkte enthaltenen Wärmeenergie. Bei der elektrischen Stickstoffverbren nung erzielt man bekanntlich nur eine un vollkommene Ausnutzung der zugeführten elektrischen Energie. Nur der kleinste Teil des Energieverbrauches wird direkt in che mische Energie durch Bildung von St@ick- stoffoxyden umgewandelt, wiihrend die Hauptmenge als Wärtne in den hoch erhitz ten Gasmassen erhalten wird, welche den Ofen verlassen. Dieses Verhältnis kann eini germassen verbessert werden durch Anwen dung von Überdruck im Ofen.
Man bekommt dann eine etwas grössere Ausbeute an Stick stoffoxyden im Verhältnis zum Energiever brauch des Ofens, aber der erzielte Vortell. wird wiederum zum grössten Teil dadurch vereitelt, dass man eine Kompressoranlage mit daraus folgendem Energieverbrauch anbrin gen muss, um den Ofen die Luft unter Druck zuführen zu können. Eine höhere Ausbeute an Stickstoffoxyden lässt sich auch in der Weise erdelen, dass man eine an Sauerstoff angereicherte Luft in den Ofen anwendet. am besten unter Zufuhr von so viel Sauer stoff, dass ein Gemisch aus gleichem Volu men Stickstoff und Sauerstoff entsteht.
In diesem Falle muss man wegen der Kosten der Sauerstofflierstellting die Ofen und die Ala- sorptionsaulage mit Hilfsvorrichtungen zu einem geschlossenen System verbinden, in -welchem die Gase unter Zusetzen der ver brauchten Mengen ständig kreisen. Auch in diesem Falle benötigt man einen Kompressor, um die Druckdifferenzen im System und da mit den Kreislauf der Gase aufrecht zu er halten. Ebenso verhält es sieh, falls man gleichzeitig beide Verfahren zur Erhöhung der Ofenausbeute anwendet, indem man mit sauerstoffreicher Luft unter Druch arbeitet.
Wenn man mit einem geschlossenen Sy stem arbeitet, hat man ferner die Möglich keit, auch die Absorption unter erhöhtem Druck vornehmen zu können. Dies bietet da durch einen wesentlichen Vorteil, 'da,ss das Absorptionssystem sehr viel kleiner bemes sen werden kann, und sich also wesentlich billiger stellt. Dieser Vorteil kann noch wei ter ausgenutzt werden, wenn man das Absorp tionssystem unter höherem Druck als die Ofen stehen lässt; dem gegenüber besteht aber dann wiederum die Notwendigkeit der An wendung einer Kompressionseinrichtung zur Erzeugung dieses höheren Druckes, so dass die Vorteile auch hier gegen Energiever brauch erkauft werden müssen.
Betrachtet man anderseits die Aus nutzung der Energie, welche in Form von Wärme in den Gasen enthalten ist, wenn diese den Verbrennungsofen verlassen, so kann diese Ausnutzung in verschiedener MTeise stattfinden, z. B. zur Herstellung von Dampf durch Leitung der Gase durch Dampfkessel. Ein grosser Teil der Wärme, besonders diejenige, welche in den Gasen ent halten ist, nachdem diese auf 250 bis 350 abgekühlt sind, lässt sich jedoch nicht in die s )Äreise ausnutzen und geht bis jetzt so gut er n wie vollständig verloren, indem die Gase, ,um auf die für die Absorption wünschenswerte Temperatur zu kommen, mit strömendem Wasser stark gekühlt werden müssen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung äst nun, diese bis jetzt wertlose Wärmeenergie zum Antrieb der Kompressionseinrichtung auszunutzen, welche zur Erhaltung der Druckdifferenzen im System nötig ist.
Züz diesem Zwecke lässt man die Wärme energie der Gase sich in einer Heissluftturbine in mechanische Arbeit umsetzen und benutzt die Turbine zum Betrieb des Kompressors. Wenn die Turbine adiabatisch und der Kom pressor möglichst isoterm arbeitet, wird man bei den für die betreffenden Maschinen gattungen normalen Wirkungsgraden und je nach der Gastemperatur \/3 ,oder mehr der nötigen Kompressionsarbeit einsparen kön nen, so dass nun das restierende Drittel oder weniger durch von aussen zugeführter Kraft, z. B. durch einen Elektromotor, zu leisten ist.
*Um einen möglichst konstanten Druck im Ofen zu erzielen, was für die Stabilität des Lichtbovens von grosser Bedeutung ist, ist es von Wichtigkeit, dass die Kompressorleistung, bezw. der gelieferte Druck, genau in Abhän- bigkeit von der Geschwindigkeit der Turbine, und zwar indirekt proportional zu derselben reguliert wird. Kleine Schwankungen des Druckes werden übrigens dadurch ausge glichen, dass die Absorptionsapparate ein ver hältnismässig grosses Volumen haben.
Beispielsweise Ausführungen der Erfin dung sind in Fig. 1, 2 und 3 der beigelegten Zeichnung schematisch dargestellt; a bezeich net den Verbrennungsofen, b eine Einrich tung (z. B. ein Dampfkessel) zur Abkühlung der heissen Ofengase und gleichzeitiger Aus nutzung eines grossen Teils der Wärme der selben, c eine Heissluftturbine, d den auf der Turbinenwelle angebrachten rotierenden Kompressor, e das Absorptionssystem.
Fig. 1 veranschaulicht den Fall, dass das System geschlossen und der Ofen unter hö herem Druck als das Absorptionssystem steht. Vom Ofen gehen die Gase durch die Dampf kessel zur Heissluftturbine, wo die Wärme der Gase unter Expansion ausgenutzt wird, und weiter zum Absorptionssystem. Vom Ausgang des Absorptionssystems werden die Gase vom Kompressor angesaugt und auf den konstanten Druck gebracht, den die Gase im Ofen haben sollen.
Fig. 2 zeigt die Anordnung des Systems, wenn der Ofen unter Druck arbeitet, aber das System offen ist. Hier gehen die Rest gase von der Absorptionsanlage ins Frei, während der Kompressor ständig neue Luft einsaugt und dieselbe auf den Ofendruck komprimiert.
Fig. 3 zeigt wiederum ein geschlossenes System, aber zum Unterschied von Fi. 1 ein solches, wo die Absorptionsapparate unter bö serem Druck als der Ofen stehen. Hier paw- sieren daher ,die Gase von den Ofen und Dampfkesseln erst eine Wärmeausta ischvor- richtung f, wo sie abgekühlt werden, und clax- auf den Kompressor,
welcher die Gase anf den für die Absorptionsapparate angemesse nen Druck bringt. Die kalten Gase vom 41@- sorptionssystem werden durch den Wärma- austauschapparat f geleitet, wo sie durch die von b kommenden Gase erwärmt werden und gehen dann zur Turbine, in welcher die Gase auf den im Ofen heHschenden Druck ex pandieren.
Die im Vorstehenden beschriebene Anord nung soll in erster Linie bei der Stickstoff verbrennung in elektrischen Öfen Anwen dung finden. Selbstverständlich lässt sich je doch der Grundgedanke der Erfindung auch leicht andern Prozessen anpassen, wo die Ver hältnisse analog sind, d. h. wo mit einem System gearbeitet wird. welches von warmen Gasen durchströmt wird, und wo in den ver schiedenen Teilen des Systems wesentliche Druckdifferenzen bestehen.
Beispielsweise kann die Erfindung bei der Herstellung von Aluminiumnitrid aus Ton erde, Kohle und Stickstoff benutzt werden. Wenn man bei der Herstellung von Alumi- niumnitrid und ähnlichen Prozessen mit Stickstoff im Kreislauf arbeitet, wird man eine Vorrichtung einschalten müssen, um das Kohlenoxyd aus den Ofengasen zu beseitigen, bevor diese wieder benutzt werden, und man erhält dann ein System, welches bezüglich der einzelnen Teile prinzipiell mit dem in Tssig. 1 angedeuteten analog ist.
A method of exploiting the thermal energy contained in the exhaust gases from industrial furnaces for the manufacture of chemical products. In the case of electrical nitrogen combustion, it is known that only an un full utilization of the electrical energy supplied is achieved. Only the smallest part of the energy consumption is converted directly into chemical energy through the formation of nitrogen oxides, while the major part is obtained as water in the highly heated gas masses which leave the furnace. This ratio can be improved to some extent by applying overpressure in the furnace.
You then get a slightly larger yield of stick material oxides in relation to the energy consumption of the furnace, but the advantage achieved. is again largely thwarted by the fact that a compressor system with the consequent energy consumption has to be installed in order to be able to feed the air into the furnace under pressure. A higher yield of nitrogen oxides can also be achieved by using air enriched with oxygen in the furnace. ideally with the addition of enough oxygen to produce a mixture of the same volume of nitrogen and oxygen.
In this case, because of the cost of oxygen production, the furnace and the ala sorption system must be connected with auxiliary devices to form a closed system, in which the gases constantly circulate with the addition of the consumed quantities. In this case, too, you need a compressor to keep the pressure differences in the system and there with the circulation of the gases upright. The same is true if both methods are used simultaneously to increase the furnace yield by working with oxygen-rich air under pressure.
If you work with a closed system, you also have the possibility of being able to carry out the absorption under increased pressure. This offers a significant advantage because the absorption system can be dimensioned much smaller, and is therefore much cheaper. This advantage can still be exploited if the absorption system is left under higher pressure than the furnace; On the other hand, however, there is then again the need to use a compression device to generate this higher pressure, so that the advantages here too have to be bought at the cost of energy consumption.
On the other hand, if one considers the use of the energy contained in the form of heat in the gases when they leave the incinerator, this use can take place in various ways, e.g. B. for the production of steam by passing the gases through steam boilers. A large part of the heat, especially that which is contained in the gases after they have cooled down to 250 to 350, cannot, however, be used in the s) ee and has so far been almost completely lost by the Gases, in order to reach the temperature desirable for absorption, have to be strongly cooled with flowing water.
The purpose of the present invention is to use this previously worthless thermal energy to drive the compression device, which is necessary to maintain the pressure differences in the system.
For this purpose, the thermal energy of the gases is converted into mechanical work in a hot air turbine and the turbine is used to operate the compressor. If the turbine works adiabatically and the compressor is as isothermal as possible, you will be able to save 3 or more of the required compression work with the degrees of efficiency normal for the machine types concerned and depending on the gas temperature, so that the remaining third or less is now through externally applied force, e.g. B. by an electric motor is to be performed.
* In order to achieve the most constant pressure possible in the furnace, which is of great importance for the stability of the arc tube, it is important that the compressor power, resp. the pressure supplied is regulated precisely as a function of the speed of the turbine, and in fact indirectly proportional to it. Incidentally, small fluctuations in pressure are compensated for by the fact that the absorption apparatus have a relatively large volume.
For example, embodiments of the inven tion are shown schematically in Fig. 1, 2 and 3 of the accompanying drawings; a denotes the incineration furnace, b a device (e.g. a steam boiler) for cooling the hot furnace gases and at the same time utilizing a large part of the heat from them, c a hot-air turbine, d the rotating compressor mounted on the turbine shaft, e the Absorption system.
Fig. 1 illustrates the case that the system is closed and the furnace is under higher pressure than the absorption system. The gases go from the furnace through the steam boiler to the hot-air turbine, where the heat of the gases is used with expansion, and on to the absorption system. From the outlet of the absorption system, the gases are sucked in by the compressor and brought to the constant pressure that the gases should have in the furnace.
Figure 2 shows the arrangement of the system when the furnace is operating under pressure but the system is open. Here, the residual gases from the absorption system are released, while the compressor constantly sucks in new air and compresses it to the furnace pressure.
FIG. 3 again shows a closed system, but in contrast to FIG. 1 one where the absorption apparatus are under worse pressure than the furnace. Here, therefore, the gases from the furnace and steam boilers first pass through a heat exchange device, where they are cooled, and then pass to the compressor,
which brings the gases to the appropriate pressure for the absorption apparatus. The cold gases from the sorption system are passed through the heat exchange apparatus f, where they are heated by the gases coming from b and then go to the turbine, in which the gases expand to the pressure prevailing in the furnace.
The arrangement described above is intended primarily for use in nitrogen combustion in electric furnaces. Of course, however, the basic idea of the invention can also easily be adapted to other processes where the relationships are analogous, i.e. H. where a system is used. which is flowed through by warm gases, and where there are significant pressure differences in the various parts of the system.
For example, the invention can be used in the manufacture of aluminum nitride from clay, coal and nitrogen. If, in the production of aluminum nitride and similar processes, one works with nitrogen in the cycle, one will have to switch on a device to remove the carbon oxide from the furnace gases before they can be used again, and one then has a system which is compatible with the individual parts in principle with the one in Tssig. 1 indicated is analogous.