Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen

Abstract

 Es handelt sich um ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen mit zunächst in verflüssigter, kalter Form vorliegenden Ausgangsgasen, die z.B. zur Schutzgasbildung dienen. Ziel ist, weniger verunreinigte Abgase und hochreine Schutzgase zu erreichen und auch Einsparungen an Ausgangsgasen zu erzielen.
Dies wird dadurch erreicht, daß zumindest ein Teil der Abgase, z.B. Heizbrennerabgase, und/oder verunreinigte Prozeßgase, z.B. verbrauchtes Schutzgas, durch direkten und/oder indirekten Wärmetausch mit mindestens einem der in verflüssigter Form vorliegenden Ausgangsgase so gekühlt wird, daß die darin enthaltenen Verunreinigungen kondensieren oder ausfrieren und die kondensierten oder ausgefrorenen Verunreinigungen vom so entstehenden Produktgas abgetrennt werden. Dabei wird, wenn möglich, zumindest ein Teil des Produktgases in der laufenden Wärmebehandlung weiterverwendet.

Beschreibung

[0001] Es handelt sich um ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen mit zunächst in verflüssigter Form vorliegenden, kalten Ausgangsgasen und Abgasen und/oder anderen verunreinigten Prozeßgasen.

[0002] Wärmebehandlungen von Metallen in Öfen werden in aller Regel unter Schutzgasatmosphären bei Temperaturen von etwa 500 bis 1200 °C durchgeführt, wobei die hohen Temperaturen häufig mit Gasbrennern erzeugt werden. Sowohl verbrauchtes Schutzgas als auch die Abgase der Heizbrenner werden heute in der Regel ungenutzt abgeleitet. Dies ist aus ökonomischer Sicht nicht unbedingt sinnvoll und vor allem nicht umweltfreundlich.

[0003] Aus der DE-PS 31 04 280 sind Verfahren bekannt, die durch geeignete Verbrennung der Brennerheizgase ein aufbereitbares Abgasgemisch erzeugen, das dann mit einer üblichen Gasaufbereitungsanlage zu Schutzgas aufbereitet wird. Diese Verfahren setzen aber einen nicht unbeträchtlichen Aufwand voraus.

[0004] Ein weiteres Problem in der Wärmebehandlung von Metallen besteht darin, daß bei speziellen Wärmebehandlungen besonders hochwertige Schutzgase, z.B. mit sehr niedrigen CO₂- und H₂O-Anteilen notwendig sind, z.B. beim Kohlungsneutralglühen. Diese Forderung ist mit einem Gasgenerator oder einer im Ofen liegenden, Schutzgas erzeugenden Retorte, z.B. einem Katalysatoreinsatz, unter Umständen nicht erreichbar, so daß das erzeugte Schutzgas vor Einführung in den Ofen einer Vorreinigung unterzogen werden muß. Diese ist bisher nur mit sehr teuren MEA-Waschanlagen oder Molekularsiebeinrichtungen möglich.

[0005] Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein wirtschaftliches und effektives Verfahren zur Reinigung von Abgasen und und anderen verunreinigten Prozeßgasen bereitzustellen.

[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der Abgase und/oder der verunreinigten Prozeßgase durch direkten und/oder indirekten Wärmetausch mit mindestens einem der in verflüssigter Form vorliegenden Ausgangsgase so gekühlt wird, daß die darin enthaltenen Verunreinigungen kondensieren oder ausfrieren und die kondensierten oder ausgefrorenen Verunreinigungen vom so entstehenden Produktgas abgetrennt werden.

[0007] Das beschriebene Verfahren ist besonders vorteilhaft, da ein in verflüssigter Form vorrätig gehaltenes Prozeßgas, wie es bei vielen Wärmebehandlungsverfahren der Fall ist, zur Lösung einer zusätzlichen Aufgabe dient. Es wird die zur Vergasung des Flüssiggases notwendige latente Wärme bzw. Kälte genutzt, die bei bekannten Verfahren einfach der Umgebung entnommen wird, also ungenutzt bleibt, um die Reinigung eines ebenfalls im Prozeßablauf auftretenden Gases, z.B. Heizbrennerabgase oder verbrauchtes Schutzgas, über Kondensation und Ausfrieren von unerwünschten Stoffen zu erreichen. Dabei werden insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe "herausgefiltert". Das Verfahren liefert so ein, den heutigen Umweltschutz-­anforderungen gerecht werdendes Abgas oder gegebenenfalls ein weiter verwendbares Produktgas.

[0008] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein Teil des gereinigten Gases für die laufende Wärmebehandlung verwendet.

[0009] Aufgrund der Reinigung bestimmter Prozeßgase ist zumindest eine teilweise Verwendung des daraus entstehenden Produktgases, z.B. zur Schutzgasbildung oder als Fluidisierungsgas für den Betrieb von Wirbelschichtöfen, möglich. Dies führt zum Teil zu erheblichen Einsparungen, z.B. bei der Verwendung zur Schutzgasbildung zu Einsparungen bis zu 50 % bei den ansonsten noch zur Schutzgaserzeugung notwendigen Ausgangsmedien.

[0010] In einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens werden die zu reinigenden Gase mit Hilfe mindestens eines Injektors, in dem das Flüssiggas unter Erzeugung des Wasserstrahlpumpeneffekts eingedüst wird, angesaugt und direkt mit dem Flüssiggas in Berührung gebracht.

[0011] Durch den Einsatz eines Injektors kann auf ein eigenständiges Pumpaggregat verzichtet werden und es wird durch die direkte Berührung zwischen Flüssiggas und zu reinigendem Gas ein schnelles Abkühlen, Kondensieren und Ausfrieren erreicht.

[0012] Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Abscheidung der Kondensate und Ausfrierprodukte zwei vertauschbar geschaltete Abscheider verwendet werden, von denen jeweils einer abscheidet, während der andere regeneriert wird.

[0013] Dieses Vorgehen ermöglicht eine kontinuierliche Verfahrensführung mit einfacher Entnahme der angefallenen Verunreinigungen während der Regenerationszeit eines Abscheiders.

[0014] Die Ansprüche 5 bis 8 enthalten Verfahrensvarianten, in denen das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft Anwendung findet oder besonders vorteilhafte Ausgestaltungen in speziellen Anwendungsfällen.

[0015] Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert werden.

[0016] Es zeigen:

Figur 1 Schema zur Brennerabgasreinigung mit Weiterverwendung des gereinigten Abgases als Schutzgas

Figur 2 Schema zur Herstellung hochreinen Schutzgases bei Schutzgaserzeugung mit Erzeugungsretorte.

[0017] In Figur 1 ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung und Aufbereitung des Abgases der Heizbrenner bei einer Wärmebehandlungseinrichtung dargestellt. Das von einem Heizbrenner 1 aus einem Wärmebehandlungsofen 2 kommende Abgas wird über einen Vorkühler 3 durch einen, die Wirkung einer Wasserstrahlpumpe besitzenden Flüssiggasinjektor 4 angesaugt und in einen von zwei parallel angeordneten Abscheidern 5, 6 weitertransportiert. In der in der Zeichung dargestellten Einstellung ist Abscheider 5 als Abscheider geschaltet, wogegen sich Abscheider 6 im Regenerationszustand befindet. Der als Filter geschaltete Abscheider 5 wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt, so daß darin Schadstoffe kondensieren und ausfrieren bzw. kondensiert und ausgefroren bleiben. Ihn verläßt ein weitgehend verunreinigungsfreies Produktgas, das problemlos in die Atmospäre entlassen werden kann, oder zumindest teilweise zur Bildung von Schutzgas unter geeigneter Beimischung weiterer Ausgangsgase oder Alkohole, z.B. Stickstoff oder Wasserstoff bzw. Methanol oder Äthanol, in einer Mischeinheit 7 einsetzbar ist. Der zur Kühlung verwendete Flüssigstickstoff, der sich danach in gasförmigen Zustand befindet, wird in die Versorgung mit gasförmigem Stickstoff eingespeist und gelangt so zu seiner eigentlichen Anwendung. Der zur Regeneration geschaltete Abscheider 6 wird währenddessen "aufgetaut" und die angesammelten Schadstoffe werden in flüssiger Form abgeführt oder in gasförmiger Form mit einem geringen Gasstrom ausgetrieben und geeignet entsorgt.

[0018] Das gesamte, eben beschriebene Verfahren ist so abzustimmen¸ daß möglichst die gesamte Abgasmenge einer Reinigung unterzogen wird. Entsprechende Kriterien sind auch bei den anderen Verfahrensvarianten anzulegen.

[0019] Figur 2 zeigt ein Schema zur Herstellung von hochreinem Schutzgas, das mit einer im Wärmebehandlungsofen 2 liegenden Retorte 9 erzeugt wird und das vor seiner eigentlichen Einspeisung in den Ofen 2 vorgereinigt wird. Das geringfügig Verunreinigungen enthaltende Schutzgas wird nach seiner Synthese in der Retorte 2 abgesaugt und dann, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben, gereinigt, wobei eine beliebige Verdünnung mit Stickstoff einerseits durch den Injektor und andererseits durch anderweitige Zugabe von gasförmigem Stickstoff erfolgen kann. Dieses Produktgas wird dann als hochreines Schutzgas dem Ofen 2 zugeführt. Auch bei Schutzgaserzeugung mit einem Gasgenerator kann das Schutzgas einer solchen Reinigung direkt nach der Erzeugung im Generator unterzogen werden. Parallel zur jetzt beschriebenen Vorreinigung von Schutzgas kann natürlich auch eine Abgasreinigung und Wiederverwendung durchgeführt werden.

[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren stellt durch seine geschickte, vernetzte Ausnutzung vorhandener Eigenschaften und Möglichkeiten, wie z.B. die Ausnutzung der latenten Wärme des Flüssiggases einerseits und andererseits gleichzeitig die Herstellung von gasförmigem Gas aus flüssigem Gas sowie die Bereitstellung von weiter verwendbarem Gas aus Abgas oder verbrauchtem Schutzgas, ein sowohl wirtschaftliches, weil sparsam im Verbrauch von Ausgangsgasen sowie umweltfreundliches, weil verunreinigungsarmes Abgas, Verfahren dar.

Ansprüche

Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen mit zunächst in verflüssigter Form vorliegenden, kalten Ausgangsgasen und Abgasen und/oder anderen verunreinigten Prozeßgasen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Abgase und/oder der verunreinigten Prozeßgase durch direkten und/oder indirekten Wärmetausch mit mindestens einem der in verflüssigter Form vorliegenden Ausgangsgase so gekühlt wird, daß die darin enthaltenen Verunreinigungen kondensieren oder ausfrieren und die kondensierten oder ausgefrorenen Verunreinigungen vom so entstehenden Produktgas abgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Produktgases für die laufende Wärmebehandlung verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Gas mit Hilfe mindestens eines Flüssiggassinjektors angesaugt und direkt mit dem Flüssiggas in Berührung gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Kondensate und Ausfrierprodukte zwei vertauschbar geschaltete Abscheider vorgesehen sind, wovon jeweils einer abscheidet, während der andere regeneriert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Heizbrenner der Wärmebehandlungseinrichtung und/oder verbrauchtes Schutzgas gereinigt oder aufbereitet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß unverbrauchtes, Verunreinigungen enthaltendes Schutzgas, z.B. von einem Gasgenerator oder einer Schutzgas-­Erzeugungs-Retorte, zu hochreinem Schutzgas gereinigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Sauerstoffeinsatz bei einer Wärmebehandlung, z.B. bei Verwendung von Sauerstoffheizbrennern, auch Sauerstoff zum Kondensieren und Ausfrieren von Verunreinigungen eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas vor der Reinigung durch Kondensieren und Ausfrieren zur Entfernung von brennbaren Verunreinigungen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff, einer Verbrennung unterzogen wird, wobei Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase zugesetzt werden.

Zeichnung