Vakuum-Stahlbehandlungsprozessen

Beschreibung

Stand der Technik

Bei den sogenannten sekundärmetallurgischen Prozessen bei der Stahlherstellung, insbesondere bei den Sauerstoff-Blasprozessen, wird der flüssige Stahl unter Vakuum behandelt. Die sogenannte Stahlentgasung sowie die Herstellung von Stählen mit niedrigem C-Gehalt durch sogenanntes Aufblasen von Sauerstoff sind Behandlungsvarianten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind und weltweite Anwendung finden. Die Anlagen für die Durchführung der vorgenannten Verfahren bestehen im Wesentlichen aus zwei Kernkomponenten, dem sogenannten Rezipienten einerseits, in dem Gießpfannen mit flüssigem Stahl mit einer Kapazität bis über 300t unter Vakuum behandelt werden, und andererseits dem Vakuumerzeuger, der über eine Saugleitung mit dem Rezipienten verbunden ist. Bei den unter vermindertem Druck zwischen 200mbar und 0,6mbar absolut ablaufenden Prozessen werden gelöste Gase wie auch Reaktionsgase freigesetzt, welche von dem Vakuumerzeuger, unter Aufrechterhaltung des jeweiligen absoluten Arbeitsdruckes, abgesaugt werden. Hierbei werden mitgerissene oder durch Verdampfung und Kondensation entstandene metallische und nichtmetallische Staubpartikel im Abgasstrom mittransportiert. Je nach Verfahren kann der Staub bei einer Abgastemperatur bis zu 500 °C und einer Korngröße von 0,5μιτι bis > 100μιτι bei einem Massenanfall von 3kg bis 4kg Staub je Tonne Flüssigstahl betragen.

Für die hohen Saugvolumina bei niedrigem Saugdruck sind heute zwei verschiedenartige Vakuumpumpensysteme im Einsatz: Zum Einen sind es die weitgehend staubunempfindlichen Dampfstrahl-Ejektorpumpen, die einen höheren Energiebedarf haben, und zum Anderen die staubanfälligen mechanischen Vakuumpumpen. Bei Anlagen, bei welchen das Vakuum mittels mehrstufiger Dampfstrahl- Ejektorpumpen erzeugt wird, stellt die Staubbelastung im Abgas keine direkte Funktionsbeeinträchtigung der Ejektorpumpen dar. Die Abgase werden hier über mehrstufige Ejektoren auf Atmosphärendruck komprimiert, wobei die im Abgas enthaltenen Stäube sich zu ca. 5% bis 10% an den Wandungen der Rohrleitungen und Ejektoren anlagern und die restlichen 90% bis 95% vom Kreislauf-Kühlwasser in den Einspritzkondensatoren ausgewaschen und ausgetragen werden. Hohe Aufwendungen für arbeitsintensive manuelle Reinigungsarbeiten sowie für die Reinigung des mit den Staubpartikeln verunreinigten Kreislaufwassers sind hier jedoch als nachteilhaft anzusehen. Die Vakuumerzeugung durch Dampfstrahler ist außerdem noch gekennzeichnet durch einen hohen Dampfverbrauch, der vor Ort in einem Dampferzeuger hoher Leistung erzeugt werden muss, was zusätzliche Kosten verursacht.

Wesentlich energiesparender ist dagegen der Betrieb von mechanischen Vakuumpumpen, die allerdings empfindlich gegen hohe Temperaturen und den Staub im angesaugten Gas sind. Daher ist für mechanische Vakuumpumpen grundsätzlich immer eine Gas/Staubtrennung und Gaskühlung zwischen dem Rezipienten und der Vakuumpumpe vorgesehen. In den bisher installierten Anlagen unter Verwendung von mechanischen Vakuumpumpen wird das abgesaugte Gas vor dem Eintritt in die Vakuumpumpen zunächst durch einen Zyklon geführt, in welchem eine Abscheidung von groben Staubteilchen erfolgt. Anschließend wird das Gas zur Kühlung in einen Gaskühler geleitet, und gelangt von dort durch einen Feinstaubfilter, der dazu dient, kleinste Staubteilchen ab- bzw. auszuscheiden.

Die oben angeführten Komponenten einer Vorrichtung unter Verwendung von mechanischen Vakuumpumpen werden hintereinander in die Vakuumleitung eingebaut, was abgesehen vom Platzbedarf eine entsprechende Länge der Vakuumleitung zur Folge hat. Dies widerspricht der Forderung nach einer möglichst kurzen Leitung zwischen dem Rezipienten und dem Vakuumpumpensatz, um eine größtmögliche Effektivität bei der Vakuumerzeugung im Rezipienten zu erzielen. Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Probleme beim Einsatz sowohl von Dampfstrahl-Ejektorpumpen wie auch bei mechanischen Vakuumpumpen weitgehend zu vermeiden. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass alle erforderlichen Verfahrensschritte zur Entstaubung wie die Vorentstaubung, die Feinfilterung und die Gaskühlung in einem einzigen, vakuumdichten kompakten Zyklonabscheider mit eingebautem Feinstaubfilter mit angeschlossenem Gaskühler durchzuführen, wobei das in den Zyklon eintretende Rohgas durch schraubenartige Leitbleche in eine rotierende Bewegung gezwungen wird, wodurch einerseits die Grobstaubabscheidung begünstigt wird, und andererseits eine Vorkühlung des Gasstroms am Außenmantel des eingebauten Wärmetauschers bewirkt wird. Anschließend wird das Gas durch einen mit Mikro-Edelstahlfiltermatten bestückten Feinstaubfilter und den daran angeschlossenen wassergekühlten Gaskühler und über den Gastrichter in die Vakuumgasleitung zu den Vakuumpumpen geführt. Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, dass durch die kompakte Bauweise der Vorrichtung die Länge der Vakuumleitung erheblich verkürzt, wodurch der Druckverlust niedrig gehalten werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angeführt. Die zusammengebaute Filter-Kühleinheit stützt sich lose auf den Abgastrichter der Vorrichtung ab, sodass ein einfacher Ausbau der Komponenten aus dem Gehäuse der Vorrichtung nach oben möglich ist, da diese im Wesentlichen nur angehoben werden müssen. Der Zyklon verfügt am unteren trichterförmigen Ende über eine vakuumdichte Staubklappe, über die der anfallende Grob- und Feinstaub ausgetragen werden kann. Der Feinfilter wird pneumatisch mittels Inertgas gereinigt. Unabhängig davon ist eine getrennte Flutung des Zykloninnenraumes mittels Inertgas vorteilhaft.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine Anordnung zur Abgasreinigung nach dem Stand der Technik in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasreinigung, ebenfalls in einer Prinzipdarstellung und

Fig. 3 einen bei der Anordnung gemäß der Fig. 2 verwendeten Zyklonabscheider in einem Längsschnitt.

Die Fig. 1 zeigt eine dem derzeitigen Stand der Technik entsprechende Vorrichtung zur Abgasreinigung bei der Stahlherstellung mit einem in eine Saugleitung 2 zwischen einem Rezipienten 1 und einem Vakuumerzeuger 3 eingebauten Zyklonabscheider 4 zur Grobentstaubung, einem getrennt angeordneten Gaskühler 5 und einem nachfolgend angeordneten Feinfilter 6. Der Feinfilter 6 ist hier nach dem Gaskühler 5 angeordnet, da diese vielfach mit Tuchfiltersäcken bestückt sind, die vor zu hohen Gastemperaturen geschützt werden müssen. Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Abgasentstaubung mit einem in dem Zyklongehäuse 1 1 eines Zyklonabscheiders 12 integrierten Feinstaubfilter 13 und einem Gaskühler 14. Der Zyklonabscheider 12 ist zwischen einem Rezipienten 15 und einem Vakuumerzeuger 16 in einer Vakuumleitung 17 angeordnet, wobei der Vakuumerzeuger 16 beliebiger Bauart sein kann.

Die Fig. 3 zeigt den detaillierten Aufbau eines erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders 12 mit dem eingebautem Feinstaubfilter 13 und dem Gaskühler 14. Die Apparateeinheit besteht aus dem Zyklongehäuse 1 1 für die Vorentstaubung, dem Gaskühler 14, der als wassergekühlter Rohrbündelwärmetauscher 19 ausgebildet ist, und dem Feinstaubfilter 13 für die Feinfilterung des Abgases.

Der Feinstaubfilter 13 und der Rohrbündelwärmetauscher 19 sind miteinander verbunden und konzentrisch im vakuumdichten Zyklongehäuse 1 1 derart angeordnet, dass der untere Teil 21 des Rohrbündelwärmetauschers 19 konisch ausgebildet und im konischen Gegentrichter 18 des Gasaustrittstutzens 23 des Zyklongehäuses 1 1 lose aufsitzt. Hierdurch wird nach dem Öffnen des Deckels 24 des Zyklongehäuses 1 1 und nach dem Lösen der Wasserein- und Austrittsverbindungen 25 und 26 ein einfacher Ausbau für Wartungszwecke gewährleistet. Je nach Erfordernis kann auch der Feinstaubfilter 13 ohne den Gaskühler 14 bzw. den Rohrbündelwärmetauscher 19 ausgebaut werden.

Für den Staubaustrag ist am unteren Zyklonkonus 27 eine vakuumdichte Verschlusskappe 28, vorzugsweise mit pneumatischem oder hydraulischem Antrieb, installiert. Zur Unterstützung des Staubaustrags aus dem Zyklonabscheider 12 ist ein Rüttler 30 elektrischem oder pneumatischem Antrieb angebaut, der sich vorzugsweise am Zyklonkonus 27 befindet.

Die Funktion des Zyklonabscheiders 12 ist wie folgt: Das staubbeladene Heißgas wird durch die Saugkraft des Vakuumerzeugers 16 in den tangential angeordneten Eintrittsstutzen 31 des Zyklonabscheiders 12 geführt. Durch die hohe Eintrittsgeschwindigkeit und die dadurch einsetzende Drehbewegung wirken die Zentrifugalkräfte auf die größeren Partikel des Hei ßgases, so dass die Partikel in bekannter Weise im Zyklonkonus 27 aufgefangen werden. Schraubenartig geformte Leitbleche 32 an der Innenwand des Zyklongehäuses 1 1 unterstützen den Abscheidevorgang der Partikel. Durch den zunächst senkrecht gerichteten Gasstrom wird bereits eine Teilkühlung des Gases durch den wassergekühlten Mantel 33 des Rohrbündelwärmetauschers 19 erreicht.

Das gesamte Gasvolumen mit den Reststäuben wird über den Feinstaubfilter 13 und anschließend durch den Rohrbündelwärmetauscher 19 gesaugt. Der Feinstaubfilter 13 besteht vorzugsweise aus engmaschigen Micro-Edelstahlfiltermatten und ist auf die Feinkornpartikelgröße abgestimmt. Für die Reinigung des Feinstaubfilters 13 sind bei Anlagenstillstand pneumatische Impulsstöße, vorzugsweise mittels Inertgas, vom Inneren des Feinstaubfilters 13 in Richtung des Zyklongehäuses 1 1 vorgesehen, die den Staub nach unten in den Zyklonkonus 27 fördern.

Der wassergekühlte Rohrbündelwärmetauscher 19 ist nach dem Kreuzstromprinzip - Gas durch die Rohre, Wasser um die Rohre - ausgebildet. Das gekühlte und im Volumen geschrumpfte Reingas verlässt den Zyklonabscheider 12 in Richtung des Vakuumerzeugers 16 durch den Gasaustrittsstutzen 23. Je nach Staubkorngrößenverteilung kann es vorgesehen sein, den Feinstaubfilter 13 und den Gaskühler 14 im Zyklongehäuse 18 um 180 ° zu drehen. Bei Prozeßende erfolgt die Flutung des gesamten Systems üblicherweise mit atmosphärischer Luft. Der hohe Feinkornanteil kann aufgrund einer 0 ₂ -Anreicherung an der Kornoberfläche zur Selbstentzündung oder in Verkettung mit anderen Betriebszuständen, z.B. Zündfunke mit ausreichender Kapazität, zur Explosion führen. Daher wird bei Prozeßende der Innenraum des Zyklonabscheiders 12 vorzugsweise vom übrigen Anlagenvolumen getrennt und mit Inertgas geflutet.

Bezugszeichenliste:

1 Rezipient

2 Saugleitung

3 Vakuumerzeuger

4 Zyklonabscheider

5 Gaskühler

6 Feinfilter

10 Anordnung

1 1 Zyklongehäuse

12 Zyklonabscheider

13 Feinstaubfilter

14 Gaskühler

15 Rezipient

16 Vakuumerzeuger

17 Vakuumleitung

18 Gegentrichter

19 Rohrbündelwärmetauscher 21 unterer Teil

23 Gasaustrittstutzen

24 Deckel

25 Wassereintrittsverbindung

26 Wasseraustrittsverbindung

27 Zyklonkonus

28 Verschlussklappe

30 Rüttler

31 Eintrittsstutzen

32 Leitblech

33 Mantel