DE102007041427A1

DE102007041427A1 - Verfahren und Anlage zur Wärmebehandlung von feinkörnigen Feststoffen

Info

Publication number: DE102007041427A1
Application number: DE102007041427A
Authority: DE
Inventors: Michael Missalla; Edgar Gasafi; Jean Claude Dr. Hein
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Corp
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-05
Also published as: GB2463433A; FI124307B; BRPI0815830A2; EA201000410A1; CN101790416B; US20140348713A1; FI20100111A; CA2696014C; CN101790416A; CA2696014A1; US20110013662A1; AU2008291317A1; US9242221B2; WO2009027084A1; AU2008291317B2; GB2463433A8; GB2463433B; US8833275B2; GB201000893D0; EA016016B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktor (1, 1'), wobei vorzugsweise in eine dem Reaktor vorgeschaltete Brennkammer (4) Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt und bei einer Temperatur von etwa 1000 bis etwa 1500°C verbrannt wird. Das heiße Gas wird über ein Zentralrohr (3) in den Reaktorinnenraum (2) eingebracht. Das heiße Gas bzw. das Zentralrohr (3) werden mit einem Kühlmittel gekühlt. Weiter betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktor, insbesondere in einem Wirbelschichtreaktor, wobei heißes Gas, insbesondere das Abgas einer dem Reaktor vorgeschalteten Brennkammer, in der Brennstoff und Verbrennungsluft bei Temperaturen von 1000 bis 1500°C verbrannt wird, über ein Gaszufuhrrohr in den Reaktorinnenraum eingebracht wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Anlage zur Wärmebehandlung körniger Feststoffe.
Aus der DE 102 60 741 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Anlage hierfür bekannt, bei welcher in einer dem Reaktor vorgeschalteten Brennkammer Heißgas mit einer Temperatur von etwa 1130°C erzeugt und dem Reaktor zugeführt wird. Dieses Heißgas kann sich dann innerhalb des Reaktors, beispielsweise durch den Kontakt mit den kühleren zu behandelnden Substanzen und/oder durch Vermischen mit Fluidisierungsgas auf etwa 750°C abkühlen. Das Heißgas tritt jedoch mit einer vergleichsweise hohen Temperatur in den Reaktor ein und kommt dort mit den zu behandelnden Feststoffen in Kontakt, wodurch es einerseits zu lokalen Überhitzungen kommen kann und andererseits auch die Bauteile des Reaktors stark belastet werden.
Weiter ist es aus der EP 0 630 683 B1 bekannt, Heißgas in einen Reaktor einzuleiten, wobei das Heißgas durch Feststoffpartikel innerhalb des Reaktors abgekühlt wird. Zusätzlich können in dem Reaktor Kühlpaneele vorgesehen sein.
In einigen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Tonkalzinierung, darf die Temperatur innerhalb des Reaktors nicht über 700°C liegen. Daher treten beispielsweise bei den oben genannten Verfahren in derartigen Anwendungsfällen Probleme auf, wenn die zu behandelnden wirbelfähigen Substanzen mit dem deutlich heißeren Abgas einer Brennkammer in Kontakt kommen. Für derartige Anwendungsfälle, wie beispielsweise die Tonkalzinierung, können folglich herkömmliche preisgünstige Brennstoffe, wie Erdgas, Erdöl oder Kohle nicht unmittelbar in dem Reaktor verfeuert werden. Auch für eine direkte Verbrennung innerhalb des Reaktorraumes lässt sich somit nur ein Brennstoff, wie beispielsweise Butan, einsetzen, der sich bei tieferen Temperaturen entzündet. Derartige Brennstoffe, die bei niedrigeren Temperaturen verbrennen, sind jedoch vergleichsweise teuer.
Weiter sind die oben genannten Anlagen, bei welchen Heißgas mit Temperaturen von 500 bis 1600°C, insbesondere von 1000 bis 1500°C in den Reaktorinnenraum eingebracht werden in der Herstellung teuer, da das Gaszufuhrrohr, durch welches das Abgas der Brennkammer geleitet wird, aus einem hitzebeständigen Material, beispielsweise hoch temperaturbeständigem Stahl, bestehen müssen. Zudem können durch die großen Temperaturunterschiede zu anderen Komponenten der Anlage hohe Wärmespannungen auftreten.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die den Einsatz preisgünstiger Brennstoffe und gleichzeitig eine schonende Behandlung von wirbelfähigen Substanzen in dem Reaktor ermöglichen, wobei die Belastungen des Reaktors bzw. der Bauteile begrenzt bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen mit einem Verfahren gelöst, bei welchem das Gas und/oder das Gaszufuhrrohr derart mit einem Kühlmittel gekühlt werden, dass die Wand des Gaszufuhrrohres eine um mindestens 50°C niedrigere Temperatur ausweist als das Gas an dem dem Reaktorinnenraum abgewandten Eintritt des Gaszufuhrrohres. Mit anderen Worten wird das Gas und/oder das Gaszufuhrrohr derart mit einem Kühlmittel gekühlt, dass zwar die wirbelfähigen Substanzen in dem Reaktor ausreichend erhitzt werden, dass jedoch die Bauteile des Reaktors keinen zu großen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Durch die Beaufschlagung des Gaszufuhrrohres mit einem Kühlmittel ist es daher möglich, trotz der sehr hohen Temperaturen des Gases im Gaszufuhrrohr ein kostengünstigeres Material für das Gaszufuhrrohr einzusetzen, da an dieses geringere Temperaturbeständigkeitsanforderungen gestellt werden. Dieser vorteilhafte Effekt kann dadurch weiter gesteigert werden, dass infolge der Kühlung die Wand des Gaszufuhrrohres eine deutlich geringere Temperatur, insbesondere um wenigstens etwa 100°C, bevorzugt um etwa 150°C, als das Gas am Eintritt des Gaszufuhrrohres aufweist. Mit Hilfe der Kühlung wird das Gas im Gaszufuhrrohr selbst aber kaum gekühlt, das Gas am reaktorseitigen Austritt des Gaszufuhrrohres ist meist nur um weniger als 200°C, bevorzugt weniger als 100°C kühler als am Eintritt.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlmittel während des Kühlens mit dem Gas im Gaszufuhrrohr nicht in direkten Kontakt kommen. Dies ermöglicht den Einsatz von hinsichtlich der Kühleigenschaften optimierten Kühlmitteln, ohne hierbei Wechselwirkungen mit dem heißen Gas, beispielsweise dem Abgas der Brennkammer, und/oder den in dem Reaktor behandelnden Substanzen berücksichtigen zu müssen.
So lässt sich als Kühlmittel beispielsweise Wasser einsetzen. Um die Bauweise der Kühleinrichtung zu vereinfachen, liegt die Temperatur des Wassers vorzugsweise bei bis zu etwa 100°C, so dass sich kein nennenswerter Druck aufbaut. Grundsätzlich sind jedoch auch druckfeste Kühleinrichtungen möglich, bei denen Wasser aus einem Dampfsystem bzw. deren vorgeschalteten Bereichen zur Kühlung des Gaszufuhrrohres und/oder des Abgases verwendet wird. Aufgrund der teilweise nur geringen Wärmeaustauschflächen ist der Wärmegewinn für ein Dampfsystem bei der Kühlung des heißen Gases und/oder des Gaszufuhrrohres jedoch ebenfalls nur gering. Die Kühlwirkung ist jedoch ausreichend, um das Gaszufuhrrohr vor Beschädigungen und übermäßigen thermischen Belastungen zu schützen.
Alternativ sind selbstverständlich auch Thermoöle oder andere Kühlmittel möglich, die bevorzugt vorteilhaft in anderen Anlagenteilen verwendet werden, z. B. zur Aufheizung anderer Substanzen oder als Nebenkreislauf zur Wärmerückgewinnung.
Vorzugsweise wird das Kühlmittel durch einen auf der Innen- und/oder Außenseite des Gaszufuhrrohres ausgebildeten ringförmigen und/oder wendelförmigen Kühlkanal geleitet. Dies ermöglicht es, nicht nur das Gas im Gaszufuhrrohr, sondern insbesondere die Wand des Gaszufuhrrohres soweit zu kühlen, dass für das Gaszufuhrrohr kein teures, hoch temperaturfestes Material verwendet werden muss.
In einer speziellen Ausführungsform besteht das Material des Gaszufuhrrohres aus einem strahlungsreflektierenden Material oder hat eine reflektierende Beschichtung z. B. Weißblech, so dass die Aufheizung durch Strahlung verringert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kommt das Kühlmittel während des Kühlens mit dem heißen Gas in direkten Kontakt. Dabei ist es das Ziel, die heißen Gase durch gezielte und dosierte Zuführung des Kühlmittels strömungstechnisch von der Wand des Gaszufuhrrohres entfernt zu halten.
Die hierbei erfolgende Durchmischung des heißen Gases, z. B. des Abgases der Brennkammer, mit dem Kühlmittel soll möglichst gering sein und kann eine wirkungsvollere Abkühlung des Gases an den Rändern des Gaszufuhrrohres bewirken. Das Gas tritt somit zwar insgesamt mit einer etwas niedrigeren Temperatur in den Reaktor ein, aber die Temperaturen am Rande des Gaszufuhr rohres sind wesentlich niedriger, als die Durchschnittstemperatur des Gases am Eintritt des Gaszufuhrrohres.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass das Kühlmittel in das Gaszufuhrrohr und/oder einen an das Gaszufuhrrohr angrenzenden Abschnitt des Reaktors eingebracht wird und sich dort mit dem heißen Gas vermischt. So kann das Kühlmittel beispielsweise aus einem perforierten Rohr, einer Membran und/oder über einen Lochboden in das Gaszufuhrrohr bzw. den Reaktor eingebracht werden. Dies erlaubt eine gleichmäßige Kühlung des Gaszufuhrrohrs, ohne dass Wärmespannungen erzeugende Temperaturgradienten auftreten. Dabei erfolgt die Zufuhr des Kühlmittels derart, dass die Vermischung mit dem Gas in dem Gaszufuhrrohr nur möglichst gering ist, und im wesentlichen eine Grenzschicht an kaltem Kühlmittel an der Innenseite des Gaszufuhrrohres aufgebaut wird.
Das Gaszufuhrrohr kann besonders wirkungsvoll vor dem mit hoher Temperatur durchgeleiteten Gas abgeschirmt werden, wenn das Kühlmittel derart in das Gaszufuhrrohr eingebracht wird, dass sich zumindest bereichsweise eine das Gas umhüllende Kühlmittelschicht ausbildet. Vorzugsweise strömt das Kühlmittel an der Innenwand des Gaszufuhrrohres bzw. einer in diesem vorgesehenen Kühleinrichtung entlang und bildet somit ein kühleres Gaspolster zwischen dem heißen Gas und dem Gaszufuhrrohr.
Als ein Kühlmittel, welches auch mit dem Gas in Kontakt treten kann, wird vorzugsweise Umgebungsluft verwendet. Es ist jedoch auch jedes andere Gas dazu geeignet. Insbesondere sind Gase geeignet, die eine wesentlich höhere Viskosität aufweisen oder die für die Reaktion in dem Wirbelschichtreaktor zusätzlich zugeführt werden müssen. Erfindungsgemäß hat das Kühlmittel, beispielsweise Kühlgas, eine möglichst geringe Temperatur, vorzugsweise zwischen etwa 0 und 400°C, besonders bevorzugt unter 200°C.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Kühlmittel in flüssiger oder sogar fester Form an die Innenwand des Gaszufuhrrohres eingebracht, wo es dann bevorzugt verdampft oder sublimiert und dadurch ein Gaspolster oder eine Flüssigkeitsschicht ausbildet, die die Innenwand des Gaszufuhrrohres vor der Wärme schützt. Als Kühlmittel ist hierbei insbesondere Wasser geeignet.
Das durch das Gaszufuhrrohr in den Reaktor eingebrachte heiße Gas kann erfindungsgemäß aus einem anderen Prozess kommen, z. B. auch aus einem Wärmetauscher. In diesem Fall haben die Gase in dem Gaszufuhrrohr eine Temperatur von ca. 600 bis 1000°C. Dabei kann in dem Reaktor eine Innenverbrennung stattfinden, wobei jedoch das Gaszufuhrrohr wegen der thermischen Belastungen durch das zugeführte Gas gekühlt werden muss. Je nach Temperatur des Gases im Gaszufuhrrohr können auch weit weniger hitzebeständige und damit kostengünstigere Materialien eingesetzt werden, z. B. Stahl, der nur bis 600°C, bevorzugt bis 500°C, besonders bevorzugt nur bis 450°C (z. B. Kesselblech, H2-Stahl) hitzebeständig ist.
Alternativ zu einer Erwärmung der zu behandelnden Stoffe durch eine Verbrennung unmittelbar in dem Reaktor bzw. eine Zufuhr von heißem Gas aus einem anderen Prozess kann dem Reaktor auch als heißes Gas das Abgas einer dem Reaktor vorgeschalteten Brennkammer, in der Brennstoff und Verbrennungsluft bei Temperaturen von etwa 1000 bis etwa 1500°C verbrannt wird, zugeführt werden. Dies führt zwar zu besonders hohen Temperaturen in dem Gaszufuhrrohr, die eine besonders effektive Kühlung und/oder den Einsatz hitzebeständigerer Materialien erfordern, diese erfindungsgemäße Entkopplung der Verbrennung in der Brennkammer und der Behandlung von Substanzen in dem Reaktor ermöglicht es jedoch, dass auch kostengünstige Brennstoffe eingesetzt werden können. So lassen sich durch die zwischengeschaltete Kühlung auch Erdgas, Erdöl oder Kohle, sowie Biomasse oder Abfallstoffe als Brennstoff verwenden, die eine deutlich höhere Zündtemperatur bzw. Verbrennungstemperatur benötigen, als diese für die Behandlung innerhalb des Reaktors bei einer Temperatur von beispielsweise 500 bis 700°C notwendig oder wünschenswert ist.
Als Brennstoff kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Asche erzeugender Brennstoff eingesetzt werden, wobei ggf. zwischen der Brennkammer und dem Wirbelschichtreaktor eine Gasreinigung vorgesehen ist. So kann die Verbrennung beispielsweise in einem z. B. liegenden Zyklon erfolgen, in welchem Asche des Brennstoffs von dem heißen Abgas getrennt und abgeschieden wird. Dies erlaubt den Einsatz kostengünstiger und lokal zur Verfügung stehender Brennstoffe. Die Wahl des Brennstoffes ist hierbei auch von den Anforderungen an den zu behandelnden Stoff abhängig. Beispielsweise können Stoffe, die keine erhöhten Anforderungen an die Freiheit von Verunreinigungen haben, durch aschehaltige Brennstoffe kalziniert werden, während Stoffe, die verunreinigungsfrei bleiben müssen, z. B. weißer Papierfüllstoff, mit aschefreien Brennstoffen behandelt werden müssen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor ein Wirbelschichtreaktor, in dem ringförmig um das Gaszufuhrrohr eine stationäre Wirbelschicht ausgebildet ist. Hierbei kann ein Gas als Kühlmittel durch ein um das Gaszufuhrrohr vorgesehenes Kühlrohr geleitet und daran anschließend in einen unterhalb der stationären Wirbelschicht vorgesehenen Gasverteiler geführt werden, so dass sich das Kühlgas über einen Düsenboden als Fluidisierungsgas in die stationäre Wirbelschicht einbringen lässt. Um die Temperatur innerhalb des Reaktors innerhalb der für die Behandlung von Substanzen optimalen Temperaturgrenzen zu halten, beispielsweise im Falle einer Tonkalzinierung unterhalb von etwa 700°C, wird es bevorzugt, wenn die Zufuhrmenge des heißen Gases im Gaszufuhrrohr auf der Basis der Temperatur im Reaktor gesteuert und/oder geregelt wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiter durch eine Anlage zur Wärmebehandlung körniger Feststoffe gelöst, die einen Wirbelschichtreaktor, in welchem die Feststoffe über eine Feststoffzufuhrleitung eingebracht werden und in welchem sie im Wesentlichen bei einer Temperatur von etwa 300°C bis etwa 1000°C, bevorzugt von etwa 500°C bis etwa 700°C thermisch behandelt werden, und ein Gaszufuhrrohr aufweist, das zur Zufuhr von Prozessgas von unten im Wesentlichen zentral in den Wirbelschichtreaktor mündet. Vorzugsweise ist dem Wirbelschichtreaktor eine Brennkammer vorgeschaltet, in welcher Brennstoff bei einer Temperatur von beispielsweise 1000 bis 1500°C verbrannt wird und die über das Gaszufuhrrohr mit dem Wirbelschichtreaktor verbunden ist. Erfindungsgemäß ist dabei dem Gaszufuhrrohr wenigstens abschnittsweise ein beispielsweise ringförmiger Kühlkanal zum Abkühlen des Gaszufuhrrohres und des Prozessgases zugeordnet, der mit einer Kühlmittelquelle zur Zufuhr von Kühlmittel mit einer Temperatur von unter etwa 400°C, insbesondere unter etwa 100°C, verbunden ist. Der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ist dabei vorzugsweise kleiner als der Strömungsquerschnitt des Gaszufuhrrohres, so dass eine starke Erwärmung des Kühlmittels an dem Gaszufuhrrohr bzw. dem Prozessgas erfolgt. Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage mit einem Kühlkanal können für das Gaszufuhrrohr z. B. einfache Stähle verwendet werden, die bis etwa 800°C, bevorzugt nur bis etwa 700°C, besonders bevorzugt bis ca. 650°C (z. B. 16Mo3-Stahl) hitzebeständig sind. Auf den Einsatz von teuren, hoch hitzebeständigen Chrom-Nickel-Stählen kann daher verzichtet werden. Gleichzeitig lässt sich die Temperatur innerhalb des Reaktors gering halten, ohne dabei auf den Einsatz günstiger Brennstoffe, die eine höhere Zündtemperatur und/oder Verbrennungstemperatur benötigen, verzichten zu müssen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gaszufuhrrohr des Wirbelschichtreaktors ringförmig von einer stationären Wirbelschicht umgeben und die Anlage weist einen unterhalb der stationären Wirbelschicht vorgesehenen Gasverteiler auf, aus welchem über einen Düsenboden Fluidisierungs gas in die stationäre Wirbelschicht eingebracht wird. Über dem Gaszufuhrrohr und der stationären Wirbelschicht kann eine Wirbelmischkammer zur intensiven Durchmischung der Feststoffe vorgesehen sein. Der erfindungsgemäße Kühlkanal ist dabei zumindest bereichsweise als ein Ringraum zwischen dem Gasverteiler und dem Gaszufuhrrohr ausgebildet, wobei der Kühlkanal mit dem unterhalb der stationären Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors ausgebildeten Gasverteiler verbunden ist. Das durch den Kühlkanal strömende gasförmige Kühlmittel kann somit gleichzeitig zur Fluidisierung der stationären Wirbelschicht eingesetzt werden und die aus dem Gaszufuhrrohr abgeführte Wärme wird in den Reaktor eingeführt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, wonach der Kühlkanal als ein Ringraum zwischen dem Gasverteiler und dem Gaszufuhrrohr ausgebildet ist, wird eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Kühlkanals erreicht, so dass eine effektivere Kühlung des Gaszufuhrrohres bzw. der durch dieses strömenden Gase erreicht wird.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal mehrere über den Umfang verteilte Austrittsöffnungen aufweist, die in den Gasverteiler münden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass der Kühlkanal eine ringförmig über seinen Umfang ausgebildete Austrittsöffnung aufweist, die in den Gasverteiler mündet. Dabei kann die wenigstens eine Austrittsöffnung unmittelbar unterhalb des Düsenbodens in den Gasverteiler münden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Anlage in dem Gaszufuhrrohr ein Kühlrohr derart auf, dass zwischen dem Gaszufuhrrohr und dem Kühlrohr ein ringförmiger Kühlkanal ausgebildet ist. Das Gaszufuhrrohr wird daher an seiner Innenseite durch das in dem ringförmigen Kühlkanal strömende Kühlmittel abgekühlt.
Hierbei wird es besonders bevorzugt, wenn in dem Kühlrohr Austrittsöffnungen zum Verbinden des Kühlkanals mit dem Reaktorinnenraum bzw. dem inneren des Gaszufuhrrohres vorgesehen sind. Auf diese Weise kann sich eine das Abgas der Brennkammer umhüllende und an der Innenwand des Gaszufuhrrohres bzw. des Kühlrohres entlangströmende Kühlmittelschicht ausbilden, die als ein Gaspolster eine zu starke Erwärmung des Gaszufuhrrohres bzw. des Kühlrohres vermeidet.
Wenn der Wirbelschichtreaktor als ein Venturireaktor ausgebildet ist, kann das Kühlrohr in einen sich trichterförmig aufweitenden Abschnitt mit Austrittsöffnungen zum Verbinden des Kühlkanals mit dem Reaktorinnenraum münden. Dabei wird es bevorzugt, wenn der sich angrenzend an das Gaszufuhrrohr erstreckende Abschnitt des Kühlrohres im Wesentlichen parallel zu dem sich ebenfalls trichterförmig erweiternden Boden des Reaktors verläuft. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das Gaszufuhrrohr, sondern auch der Boden des Reaktors kühlen.
Eine besonders effektive Kühlung kann durch den Einsatz von Wasser als Kühlmittel erreicht werden. Hierbei ist vorzugsweise auf der Innen- oder Außenseite des Gaszufuhrrohres zumindest abschnittsweise ein Kühlkanal vorgesehen, der mit einer Wasser mit einer Temperatur von bis zu etwa 100°C als Kühlmittel enthaltenden Kühlmittelquelle verbunden ist. Der Kühlkanal kann dabei beispielsweise wendelförmig ausgebildet sein und sich in der Art einer Kühlschlange um das Gaszufuhrrohr herum erstrecken.
Um das Material des Gaszufuhrrohres zusätzlich vor einer zu hohen thermischen Belastung durch die Abgase der Brennkammer zu schützen, kann auf der Innenseite des Gaszufuhrrohres eine Bestiftung aus Spritzbeton oder eine andere geeignete thermische Isolierbeschichtung vorgesehen sein. Selbst bei Temperaturen des Abgases der Brennkammer von 1300°C und darüber lassen sich auf diese Weise die Belastungen des Gaszufuhrrohres gering halten.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Anlage der Brennkammer eine Gasreinigungseinrichtung zugeordnet. Dabei kann die Brennkammer als ein liegender Zyklon ausgebildet sein.
Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Materials mit geringer Hitzebeständigkeit beispielsweise in dem Gaszufuhrrohr einer Anlage bzw. eines Verfahrens der oben genannten Art.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen schematisch:
1 eine Anlage nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 in vergrößerter Darstellung ein Detail der Anlage nach 1,
3 ein Detail einer Anlage nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
4 ein Detail einer Anlage nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Detail einer Anlage nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
6 ein Detail einer Anlage nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die in 1 dargestellte Anlage zur Wärmebehandlung körniger Feststoffe, wie beispielsweise zur Tonkalzinierung, weist einen Wirbelschichtreaktor 1 auf, in dessen Reaktorinnenraum 2 die Feststoffe einer chemischen und/oder physikalischen Behandlung unterzogen werden.
In den Reaktorinnenraum 2 mündet ein Gaszufuhrrohr (Zentralrohr) 3, welches mit einer Brennkammer 4 verbunden ist. Wie durch die Pfeile in 1 angedeutet, wird der Brennkammer ein Brennstoff und Gas zugeführt. Das bei der Verbrennung auf eine Temperatur von bis zu 1500°C erhitzte Abgas wird aus der Brennkammer 4 über das Gaszufuhrrohr 3 in den Reaktorinnenraum 2 geleitet.
In dem Reaktor 1 ist ein Düsenboden 5 vorgesehen, der einem Gasverteiler 6 zugeordnet ist. In den Gasverteiler 6 wird durch eine Leitung 7 Fluidisierungsgas eingebracht, welches über den Düsenboden 5 in den Reaktor 1 gelangt. Das Gaszufuhrrohr 3 ist dabei oberhalb des Düsenbodens 5 von einer ringförmigen stationären Wirbelschicht umgeben, die durch das Fluidisierungsgas durchmischt wird. Weiter ist in 1 ein Rückführzyklon 8 schematisch angedeutet, in welchem aus dem Reaktor 1 ausgetragene Feststoffe von dem Abgas des Reaktors 1 getrennt und ggf. in den Reaktor 1 zurückgeführt werden können.
Die Ausbildung des Gasverteilers 6 und des Gaszufuhrrohres 3 der Anlage nach 1 ist in 2 im Detail dargestellt. Dabei ist das Gaszufuhrrohr 3 bereichsweise von einem Kühlrohr 9 umgeben, so dass sich zwischen der Außenseite des Gaszufuhrrohres 3 und der Innenseite des Kühlrohres 9 ein ringförmiger Kühlkanal 10 ausbildet. Durch den Kühlkanal 10 wird ein Kühlmittel, beispiels weise Umgebungsluft, geleitet, wodurch sich die Wandung des Gaszufuhrrohres 3 und damit auch das durch dieses strömende Abgas der Brennkammer 4 abkühlt. In der Darstellung nach 2 weist das Kühlrohr mehrere über den Umfang verteilte Austrittsöffnungen 11 in der Nähe des Düsenbodens 5 auf, die in den Gasverteiler 6 münden. Die als Kühlmittel eingesetzte Umgebungsluft kann somit als zusätzliches Fluidisierungsgas in den Reaktorinnenraum 2 geleitet werden. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform, in der das Kühlmittel im Gleichstrom zum Gaszufuhrrohr eingeführt wird, ist es auch möglich, das Kühlmittel im Gegenstrom zu führen. Dabei kann die Kühlmittelführung so gestaltet werden, dass der in den Reaktor ragende Teil des Gaszufuhrrohres zuerst gekühlt wird und dann das Kühlmittel nach unten umgelenkt wird, um im Gegenstrom nach unten zu streichen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 3 dargestellt, wobei die mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform gleichen Bauteile mit den selben Bezugsziffern versehen sind.
Das Kühlrohr 9 ist bei dieser Ausführungsform wiederum ringförmig, das zentrale Gaszufuhrrohr 3 umgebend angeordnet, so dass ein ringförmiger Kühlkanal 10 zwischen dem Gaszufuhrrohr 3 und dem Kühlrohr 9 ausgebildet wird. Dabei ist das Gaszufuhrrohr 3 bereichsweise mit Austrittsöffnungen 12 versehen, so dass ein durch den ringförmigen Kühlkanal 10 strömendes Kühlmittel in das Innere des zentralen Gaszufuhrrohres 3 gelangen kann. Das Kühlmittel kann dabei eine an der Innenfläche des Gaszufuhrrohres 3 entlangströmende Kühlmittelschicht bilden und damit das Material des Gaszufuhrrohres 3 vor unzulässig hoher Erwärmung schützen.
In der Ausbildungsform der 4 ist der Reaktor 1' als ein Venturireaktor ausgebildet. Dabei ragt das Kühlrohr 9, welches innerhalb des zentralen Gaszufuhrrohres 3 vorgesehen ist, in den abgeschrägten unteren Bereich des Reaktors 1' hinein und verläuft ebenfalls wie dieser Bereich im Wesentlichen trichterförmig. In dem trichterförmigen Abschnitt des Kühlrohres 9 sind dabei mehrere Austrittsöffnungen 12 ausgebildet, so dass ein Kühlmittel, beispielsweise Umgebungsluft, in den Innenraum 2 des Reaktors 1' gelangen kann. Alternativ ist es aber auch möglich, dass das Kühlmittel nicht in den Venturi- oder Ringwirbelschicht-Reaktor eingebracht wird, sondern in anderen Teilen des Prozesses Verwendung findet, z. B. als vorgewärmte Luft für die Brennkammer.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform hat einen ähnlichen Aufbau wie die Ausführungsform nach 3. Allerdings ist auf der Außenseite des zentralen Gaszufuhrrohres 3 wendelförmig ein Kühlkanal 13 ausgebildet, durch welchen Wasser als Kühlmittel geleitet wird. Der Kühlkanal 13 ist dabei anders als bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen derart gestaltet, dass das in diesem geführte Wasser nicht in das zentrale Gaszufuhrrohr 3 oder den Innenraum 2 des Reaktors gelangen kann.
Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform, die im Wesentlichen der Ausführungsform nach 5 entspricht, ist zusätzlich auf der Innenseite des zentralen Gaszufuhrrohres 3 eine sogenannte Bestiftung 14, d. h. eine Beschichtung mit einem Spritzbeton oder eine andere geeignete thermische Isolierschicht vorgesehen. Das zentrale Gaszufuhrrohr wird auf diese Weise von innen durch die Bestiftung 14 abgeschirmt und von außen durch den Kühlkanal 13 gekühlt.
Durch die zuvor beschriebenen Kühlungen des zentralen Gaszufuhrrohres 3 wird erreicht, dass das Abgas aus der Brennkammer 4 sich von einer Temperatur von etwa 1000 bis 1500°C erheblich abkühlt, so dass das Abgas die in dem Reaktor 1 behandelten Feststoffe auf eine Temperatur von etwa 500 bis etwa 700°C erwärmt.
Beispiel 1
In einem Reaktor entsprechend 1 tritt in das Gaszufuhrrohr ein Gas mit einer Temperatur von 1000°C ein. Durch Zufuhr eines Kühlgases, hier Stickstoff als Inertgas, mit einer Temperatur von 100°C, wird die Wand des Gaszufuhrrohres auf ca. 600°C abgekühlt. Gleichzeitig kühlt die Temperatur des Gases im Gaszufuhrrohr auf ca. 950°C ab.
Beispiel 2
In einem Reaktor entsprechend 4 wird in das Gaszufuhrrohr ein Gas mit einer Temperatur von 850°C einleitet. Durch Zufuhr eines Kühlgases, hier Luft, mit einer Temperatur von 30°C, wird die Wand des Gaszufuhrrohres auf ca. 650°C abgekühlt. Dadurch kann auf eine Ausmauerung der Wand oder die Verwendung hochwarmfester Edelstähle verzichtet werden.

1: Wirbelschichtreaktor
1': Venturireaktor
2: Reaktorinnenraum
3: Gaszufuhrrohr (Zentralrohr)
4: Brennkammer
5: Düsenboden
6: Gasverteiler
7: Leitung
8: Rückführzyklon
9: Kühlrohr
10: Kühlkanal
11: Austrittsöffnung
12: Austrittsöffnung
13: Kühlkanal
14: Bestiftung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10260741 A1 [0002]
- EP 0630683 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktor, insbesondere in einem Wirbelschichtreaktor (1, 1'), bei dem heißes Gas über ein Gaszufuhrrohr (3) in den Reaktorinnenraum (2) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und/oder das Gaszufuhrrohr (3) derart mit einem Kühlmittel gekühlt werden, dass die Wand des Gaszufuhrrohres eine um mindestens 50°C niedrigere Temperatur ausweist als das Gas an dem dem Reaktorinnenraum abgewandten Eintritt des Gaszufuhrrohres (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Gaszufuhrrohres (3) eine um mindestens 100°C, bevorzugt 150°C, niedrigere Temperatur ausweist als das Gas am Eintritt des Gaszufuhrrohres (3).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel während des Kühlens mit dem heißen Gas nicht in direkten Kontakt kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Wasser mit einer Temperatur von vorzugsweise bis zu 100°C eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch einen auf der Innen- und/oder Außenseite des Gaszufuhrrohres (3) ausgebildeten ringförmigen und/oder wendelförmigen Kühlkanal (10, 13) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel während des Kühlens mit dem heißen Gas in direkten Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel, beispielsweise aus einem perforierten Rohr (9) und/oder über einen Lochboden, in das Gaszufuhrrohr (3) und/oder einen an das Gaszufuhrrohr (3) angrenzenden Abschnitt des Reaktors (1, 1') eingebracht wird und sich dort mit dem heißen Gas vermischt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel derart in das Gaszufuhrrohr (3) eingebracht wird, dass sich zumindest bereichsweise eine das heiße Gas umhüllende und an der Innenwand des Gaszufuhrrohres (3) entlangströmende Kühlmittelschicht ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Umgebungsluft verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine dem Reaktor (1) vorgeschaltete Brennkammer (4) Brennstoff und Verbrennungsluft zuführt und bei einer Temperaturen von 1000 bis 1500°C verbrannt wird und das Abgas der Brennkammer (4) als heißes Gas über das Gaszufuhrrohr (3) dem Reaktor (1) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirbelfähigen Substanzen in dem Reaktor (1, 1') im Wesentlichen auf eine Temperatur von 500 bis 700°C erhitzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (1, 1') ringförmig um das Gaszufuhrrohr (3) eine stationäre Wirbelschicht ausgebildet ist, wobei ein Gas als Kühlmittel durch ein um das Gaszufuhrrohr (3) vorgesehenes Kühlrohr (9) geleitet und daran anschließend in einen unterhalb der stationären Wirbelschicht vorgesehenen Gasverteiler (6) geführt und über einen Düsenboden (5) als Fluidisierungsgas in die stationäre Wirbelschicht eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrmenge des heißen Gases, insbesondere des Abgases der Brennkammer (4), auf der Basis der Temperatur im Reaktor (1, 1') geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Asche erzeugende Brennstoffe eingesetzt werden und dass zwischen der Brennkammer (4) und dem Wirbelschichtreaktor (1, 1') eine Gasreinigung vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung in einem liegenden Zyklon erfolgt, in welchem Asche des Brennstoffs von dem heißen Abgas getrennt und abgeschieden wird.
Anlage zur Wärmebehandlung körniger Feststoffe, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Wirbelschichtreaktor (1, 1'), in welchen die Feststoffe über eine Feststoffzufuhrleitung eingebracht und behandelt werden, mit einem Gaszufuhrrohr (3), das zur Zufuhr von Prozessgas von unten im Wesentlichen zentral in den Wirbelschichtreaktor (1, 1') mündet, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gaszufuhrrohr (3) wenigstens abschnittsweise ein beispielsweise ringförmiger Kühlkanal (10, 13) zum Abkühlen des Gaszufuhrrohres (3) und des Prozessgases zugeordnet ist, der mit einer Kühlmittelquelle zur Zufuhr von Kühlmittel mit einer Temperatur von unter etwa 400°C, insbesondere unter etwa 100°C, verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszufuhrrohr (3) des Wirbelschichtreaktors (1) ringförmig von einer stationären Wirbelschicht umgeben ist, mit einem unterhalb der stationären Wirbelschicht vorgesehenen Gasverteiler (6), aus welchem über einen Düsenboden (5) Fluidisierungsgas in die stationäre Wirbelschicht eingebracht wird, und mit einer über dem Gaszufuhrrohr (3) und der stationären Wirbelschicht vorgesehenen Wirbelmischkammer (2) zur intensiven Durchmischung der Feststoffe, wobei der Kühlkanal (10) zumindest bereichsweise als ein Ringraum zwischen dem Gasverteiler (6) und dem Gaszufuhrrohr (3) ausgebildet ist, und wobei der Kühlkanal (10) mit dem unterhalb der stationären Wirbelschicht des Wirbelschichtreaktors (1) ausgebildeten Gasverteiler (6) verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) mehrere über den Umfang verteilte Austrittsöffnungen (11) aufweist, die in den Gasverteiler (6) münden.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) eine ringförmig über seinen Umfang ausgebildete Austrittsöffnung (11) aufweist, die in den Gasverteiler (6) mündet.
Anlage nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (11) unmittelbar unterhalb des Düsenbodens (5) in den Gasverteiler (6) mündet.
Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaszufuhrrohr (3) ein Kühlrohr (9) derart vorgesehen ist, dass zwischen dem Gaszufuhrrohr (3) und dem Kühlrohr (9) ein ringförmiger Kühlkanal (10) ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlrohr (10) Austrittsöffnungen (12) zum Verbinden des Kühlkanals (10) mit dem Reaktorinnenraum (2) vorgesehen sind.
Anlage nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelschichtreaktor als ein Venturireaktor (1') ausgebildet ist, bei welchem das Kühlrohr (10) in einen sich trichterförmig aufweitenden Abschnitt mit Austrittsöffnungen zum Verbinden des Kühlkanals (10) mit dem Reaktorinnenraum (2) mündet, der sich angrenzend an das Gaszufuhrrohr (3) im Wesentlichen parallel zu dem sich trichterförmig aufweitenden Boden des Reaktors (1') erstreckt.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innen- oder Außenseite des Gaszufuhrrohres (3) zumindest abschnittsweise ein vorzugsweise wendelförmig ausgebildeter Kühlkanal (13) vorgesehen ist, der mit einer Wasser mit einer Temperatur von bis zu etwa 100°C als Kühlmittel enthaltenden Kühlmittelquelle verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des Gaszufuhrrohres (3) eine Bestiftung (14) aus Spritzbeton vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (4) eine Gasreinigungseinrichtung zugeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4) als liegender Zyklon ausgebildet ist.
Verwendung eines Materials mit einer Hitzebeständigkeit bis zu einer Temperatur von 650°C zumindest als Wandmaterial des Gaszufuhrrohres (3) in einem Verfahren oder einer Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche.