Industrie- und Prozessöfen

Prinzipien, Design und Betrieb

von Peter Mullinger und Barrie Jenkins

 

 

 

 

 

VORSCHAU

Kapitel 1 – Einführung

• Was ist ein Ofen?
  • Umriss des Ofens
  • Ofenklassifizierung
  • Hauptziele von Ofenkonstrukteuren und -betreibern
• Wo werden Öfen eingesetzt? Kurzer Überblick über aktuelle Ofenanwendungen und -technologie
  • Keramik, Ziegelherstellung und Töpferei
  • Zement und Kalk
  • Glasherstellung
  • Metallerzschmelze
  • Metallveredelung
  • Flash- und Wirbelschichtöfen
  • Physikalische Metallverarbeitung
  • Verbrennungsanlagen und Öfen zur Ressourcenrückgewinnung
  • Öfen mit reduzierender Atmosphäre
  • Ölraffinierungs- und petrochemische Öfen
• Treiber für mehr Effizienz
• Abschließende Bemerkungen

Kapitel 2 – Der Verbrennungsprozess

• Einfache Verbrennungschemie
  • Die vollständige Oxidation von Kohlenstoff
  • Die vollständige Oxidation von Wasserstoff
  • Die unvollständige Oxidation von Kohlenstoff
  • Die Oxidation von Kohlenmonoxid
• Verbrennungsberechnungen
• Kinetik chemischer Reaktionen
  • Arten von Reaktionen
  • Reaktionsgeschwindigkeitstheorie
  • Verhalten der Reaktionsgeschwindigkeit
  • Brennende Tröpfchen und Partikel
• Die Physik der Verbrennung
  • Die Rolle der Primärluft
  • Die Rolle von Wirbelströmungen
  • Turbulenzen in Jets
  • Sekundärströmungsaerodynamik
  • Auswirkung von Luftüberschuss auf den Kraftstoffverbrauch
  • Mehrere Brennerinstallationen

Kapitel 3 – Brennstoffe für Öfen

• Gasförmige Brennstoffe
  • Eigenschaften von Erdgas
  • Hergestelltes Gas
  • Wobbe-Zahl oder Index
  • Brennbarkeitsgrenzen
    • Berechnung der Explosionsgrenzen für Gemische von Gasen
    • Einfluss von Temperatur und Druck auf die Grenzen
  • Flammenstrahlung von gasförmigen Brennstoffen
• Flüssige Brennstoffe
• Feste Brennstoffe
  • Asche
• Abfallbrennstoffe
• Wahl des Brennstoffs
  • Ofenleistung
    • Wärmeübertragung
    • Ofenatmosphäre
    • Flexibilität im Betrieb
    • Wirkung von Asche
    • Feuerfestes Leben
    • Kraftstoffkosten und Versorgungssicherheit
    • Kapital- und Betriebskosten des Kraftstoffhandhabungssystems
  • Sicherheit
  • Emissionen
  • Bibliographie zu festen Brennstoffen

Kapitel 4 – Eine Einführung in die Wärmeübertragung in Öfen

• Leitung
  • Steady-State-Leitung
  • Vorübergehende Leitung
    • Analytischer Ansatz
    • Numerischer Ansatz
  • Konvektion
    • Dimensionsanalyse
    • Anwendung auf konvektive Wärmeübertragung
    • Bewertung konvektiver Wärmeübertragungskoeffizienten
    • Konvektive Wärmeübertragung bei hoher Temperatur
  • Strahlung
    • Physikalische Grundlagen des Strahlungsaustausches
    • Emissionsgrad und Absorptionsgrad
    • Faktoren anzeigen
      • Äquivalente graue Oberfläche
    • Mittlere Strahllänge
  • Elektrische Heizung
    • Widerstandsheizung
      • Direkte Widerstandsheizung
      • Indirekte Widerstandsheizung
      • Lichtbogenheizung
      • Elektrodengeräte
      • Elektrodenlose Geräte
    • Induktionsheizung
    • Dielektrische Heizung
    • Infrarotheizung
  • Anhang 4A Tabellen mit Emissionsgraddaten

Kapitel 5 – Flammen und Brenner für Öfen

• Arten von Flammen
• Vorgemischte Flammen
• Turbulente Strahldiffusionsflammen
• Heterogene Verbrennung
  • Zerstäubung flüssiger Brennstoffe und Pulverisierung von Kohle
  • Die Bedeutung der Tropfen- und Partikelgröße
• Funktion eines Brenners und Grundlagen der Brennerkonstruktion
  • Die wesentliche Bedeutung von Wärmestromprofilen
  • Flammenstabilisierung
• Gasbrenner
  • Vorgemischte Brenner
    • Einfluss von Luftüberschuss (Mischungsverhältnis) auf die Flammentemperatur
    • Strahlungswandbrenner
    • Einsatz von Vormischbrennern in Low-NOx-Anwendungen
    • Sicherheitsprobleme bei Vormischbrennern
    • Größenbeschränkungen
  • Turbulente Strahldiffusionsbrenner
  • Präzedenzstrahl-Diffusionsbrenner
  • Ölbrenner
    • Abdrehen
    • Zerstäuber
      • Druckstrahlzerstäuber
      • Doppelflüssigkeitszerstäuber
    • Kohlenstaubbrenner
    • Aerodynamik des Ofens
    • Strömungsmuster der Brenner- und Ofenluft
      • Einzelbrennersysteme
        • Paketbrennerinstallationen
        • Drehrohröfen und Trockner, etc.
      • Mehrbrennersysteme
      • Gestaltung des Verbrennungsluftkanals
      • Gemeinsames Windbox- und Plenum-Design
      • Skalierung des Verbrennungssystems
      • Beispiel für die Skalierung eines Verbrennungssystems
    • Ofengeräusch
      • Verbrennungsgeräusch
      • Düsen- und turbulentes Strahlgeräusch
      • Lüftergeräusch
      • Rohr- und Ventilgeräusche
      • Schalldämmung von Öfen
      • Verbrennungsbedingte Schwingungen

Kapitel 6 – Verbrennungs- und Wärmeübertragungsmodellierung

• Physikalische Modellierung
  • Thring-Newby-Parameter
  • Craya-Curtet-Parameter
  • Becker-Drosselfaktor
  • Curtet-Nummer
  • Beziehung zwischen Skalierungsparametern
  • Ermittlung der erforderlichen Modellabläufe
  • Anwenden des Skalierungsparameters
  • Anwenden einer Korrektur nach der Messung
• Mathematische Modellierung
  • Einfache, gut gerührte Ofenmodelle
  • Lange Ofenmodelle
  • Zwei- und dreidimensionale Zonenmodelle
  • Computational Fluid Dynamics-Modelle
    • Rasterung von CFD-Modellen
    • Konvergenz von CFD-Modellen
  • Partikelwiderstand in Verbrennungssystemen
• Anwendung der Modellierung auf die Ofenkonstruktion

Kapitel 7 – Kraftstoffhandhabungssysteme

• Gasventiltriebe
  • Sicherheitsabschaltsysteme
    • Double Block und Bleed
    • Dichtheitsprüfung und -prüfung
  • Systeme zur Handhabung von Heizöl
    • Lager, Pumpen und Heizen
    • Ölventiltriebe
  • Handhabungs- und Feuerungssysteme für pulverisierte Kohle
    • Rohkohlebunker und Zubringer
    • Kohle mahlen und trocknen
      • Eigenschaften der Kohletrocknung
    • Kohlemühlen
      • Kugelmühlen
      • Vertikale Spindelmühlen
      • Hochgeschwindigkeitsmühlen
    • Mahlkapazität der Kohlemühle
      • Kohlefeinheit
      • Kohletrockenheit
    • Mahl- und Feuerungssysteme für pulverisierte Kohle
      • Direkte und indirekte Feuerungssysteme
      • Direkter Schuss
      • Halbdirekter Schuss
      • Indirektes Feuern
      • Halbindirekter Schuss
    • Trocknungskapazität des Kohlesystems
    • Ventilatoren für Kohlefeuerungsanlagen
    • Feinkohlelagerung
    • Feinkohlezuführung und -förderung
      • Volumetrische Futterspender
      • Massenflussförderer
    • Förderung von Kohlenstaub
  • Umgang mit Abfallbrennstoffen
    • Umgang mit Abgasbrennstoffen
    • Umgang mit flüssigem Brennstoffabfall
    • Handhabung fester Abfallbrennstoffe
      • Größenverteilung
    • Umweltvorteile und Gesundheitsrisiken der Nutzung von Abfallbrennstoffen
  • Anwendbare Codes und Standards

Kapitel – 8 Ofenkontrolle und Sicherheit

• Prozesssteuerung
  • Grundlegende Strategien zur Ofensteuerung
    • Kontrolle der Produkttemperatur
    • Fuzzy-Logik und regelbasierte Systeme
  • Ofeninstrumentierung
    • Temperatur messung
    • Wärmeeintragsmessung
      • Durchflussmessung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen
      • Brennwertmessung
      • Feste Brennstoffe
    • Bestimmung des Luftüberschusses
  • Rauchgasanalyse
    • Extraktive Gasprobenahmesysteme und Analysatoren
      • Installation der Probensonde
      • Kaltgasextraktionssysteme
      • Heiße Nassgas-Extraktionssysteme
      • Verdünnungsextraktionssysteme
    • In-situ-Systeme
      • Staubmonitore
      • Sauerstoffanalysatoren
      • Cross-Duct-Analysatoren
    • Verbrennungskontrolle
    • Gewährleistung der Ofensicherheit
      • Risikofaktoren beim Ofenbetrieb
      • Inbetriebnahme des Ofens
        • Kritischer Zeitpunkt für die Zündung beim Anfahren des Ofens
      • Betrieb mit unzureichender Verbrennungsluft
        • Korrekturmaßnahme bei unbeabsichtigtem unterstöchiometrischem Betrieb
      • Flammenlöschung
      • Zündquellen beseitigen
    • Brennermanagementsysteme
      • Sicherheitsanforderungen an Brennermanagementsysteme
      • Falsche Reisen
      • Erreichen akzeptabler Sicherheitsstandards mit Brennermanagementsystemen mit speicherprogrammierbarer Steuerung
      • Auswahl eines geeigneten Sicherheitsintegritätsniveaus
      • Bestimmung des Sicherheitsintegritätsniveaus des BMS-Systems
      • Flammenmelder

Kapitel 9 – Effizienz des Ofens

• Leistungsdiagramme für Öfen
• Massen- und Energiebilanzen
  • Messung vor Ort
    • Probenahme und Analyse von Rauchgasen
    • Kalibrierung und Fehler in der Anlageninstrumentierung
  • Erstellen von Massen- und Energiebilanzen
• Energieumwandlung
  • Niedrige und hohe Hitze
  • Exergie- und Pinch-Point-Analyse
• Geräte zur Wärmerückgewinnung
  • Rekuperative Wärmetauscher
  • Regenerative Wärmetauscher
  • Allgemeines Verfahren zur Auslegung von Wärmetauschern
• Effizienzverbesserungen identifizieren

Kapitel 10 – Emissionen und Umweltauswirkungen

• Bildung von Kohlenmonoxid
• Bildung von Stickoxiden
  • Thermische NOx-Bildung
  • NOx-Bildung im Kraftstoff
  • Schnelle NOx-Bildung
  • NOx-Modellierung
• Bildung von Schwefeloxiden
• Bildung von Zwischenprodukten der Verbrennung
  • Flüchtige organische Verbindungen (VOCs)
  • Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
  • Leiterplatten, Dioxine und Furane
• Partikelemissionen
  • Rußbildung
  • Bildung und Zusammensetzung von Brennstoffasche
  • Nicht brennbare flüchtige Kreisläufe
• Umweltkontrolle von Emissionen
  • Vermeidung und Reduzierung von Emissionen
    • Vorflammenkontrolle
    • Flammenkontrolle
    • End-of-Pipe-Kontrolle
  • Ausbreitungsmodellierung

Kapitel 11 – Ofenbau und Materialien

• Grundlegende Leistungsanforderungen an die Ofenstruktur
  • Grundlegende Baumethoden
  • Ziegelauskleidung
  • Monolithische Auskleidungen
    • Ausgießbares feuerfestes Material
    • Traditionelle Installation von gießbarem Feuerfestmaterial
    • Einbau von gießbarem Feuerfestmaterial durch Spritzen
    • Trocknen und Aushärten von gegossenem und gespritztem Feuerfestmaterial
    • Formbare und stampfbare feuerfeste Materialien
  • Ofenstahlbau
  • Ofendachkonstruktion
  • Ofenkühlsysteme
• Praktische technische Überlegungen bei der Verwendung von Feuerfestmaterialien
• Keramische feuerfeste Materialien
  • Prüfung von Feuerfestmaterialien
  • Eigenschaften und Verwendung von feuerfesten Materialien
    • Siliciumdioxid und silikatische feuerfeste Materialien
    • Feuerfeste Materialien aus Aluminiumoxid und Aluminium
    • Feuerfeste Materialien aus Chromit/Magnesit/Aluminiumoxid
    • Feuerfeste Materialien aus Dolomit
    • Zirkon und feuerfeste Zirkonoxidmaterialien
    • Feuerfeste Materialien aus Kohlenstoff
    • Isolierende feuerfeste Materialien
  • Hitzebeständige und feuerfeste Metalle
    • Einfluss erhöhter Temperatur auf Metalleigenschaften
    • Hochtemperaturlegierungen
      • Betriebstemperatur
      • Sägen und schneiden
      • Proprietäre Legierungen mit hohem Nickelgehalt
    • Praktische technische Überlegungen zur Verwendung von Hochtemperaturmetallen
    • Abschließende Bemerkungen
    • Auswahl relevanter Standards
    • Anhang 11A Allgemeine Eigenschaften ausgewählter feuerfester Materialien

Kapitel 12 – Methoden zur Ofenkonstruktion

• Einführung
  • Designeinschränkungen
  • Kosten für Designänderungen
• Konzeptionelles Design
  • Prozessfunktionen
    • Durchlaufofensystem
    • Trennofensystem
    • Kombiofen mit nachgeschalteter Trennung
    • Kombinations- und Trennofensystem
  • Definition der physikalischen und chemischen Veränderungen
  • Vorläufige Massen- und Energiebilanzen
  • Zuverlässigkeit des verfügbaren Prozesswissens
    • Bestehende Prozesse
    • Neue Prozesse und Pilotanlagen
  • Wirkung vor- und nachgelagerter Prozesse
  • Kraftstoffwahl
    • Chemische Kompatibilität des Kraftstoffs mit dem Prozess
    • Kompatibilität der Wärmeübertragung mit dem Prozess
  • Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung und Auswahl der Geräte
    • Abschätzung des Potenzials für die Wärmerückgewinnung aus heißem Produkt
    • Abschätzung des Potenzials für die Wärmerückgewinnung aus heißem Rauchgas
    • Abschätzung des Potenzials für die Wärmerückgewinnung aus der Hülle Verluste oder Kühlwasser
    • Wirtschaftliche Überlegungen
  • Ofendimensionierung
    • Design eines Brammenheizofens
    • Design eines Ölheizofens
    • Ofen zur Verarbeitung von Zuschlagstoffen
  • Brennerauswahl
  • Detaillierte Analyse und Validierung des Ofendesigns
  • Ofeninstrumentierung und -steuerung