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Gegenstrom-Rezirkulationsvorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einem feinkörnigen Material
Die Erfindung betrifft eine Gegenstrom-Rezirkulationsvorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einem feinkörnigen Material. Es handelt sich dabei insbesondere um die Behandlung von Kalk oder Zement.
Zum Brennen von Kalk und Zementklinkern werden heutzutage hauptsächlich zwei Arten von Öfen verwendet. Ring- und Schachtöfen bieten bei ihrem guten thermischen Wirkungsgrad keine oder nur geringe Möglichkeit einer Mechanisierung. Die zweite Art, nämlich Dreh- öfen, können gut mechanisiert werden, weisen jedoch bedeutende kalorische Verluste auf. Sie werden deshalb in Längen von 150 bis 300 Meter ausgeführt und sind sowohl, was den Betrieb als auch die Anschaffungskosten betrifft, höchst kostspielig.
Die Hauptschwierigkeit beim Betrieb von Drehöfen bildet die Ausnützung der Wärme der Abgase. Die bei kürzeren Öfen entweichenden Gase weisen eine Temperatur von 300 bis 600 C, beim Brennen von Stückkalk sogar über 8000 C auf. Die in diesen Gasen enthaltene Wärme stellt einen Brennstoffverlust von 20 bis 50% dar.
Die Ausnützung dieser Wärme in Abwärmekesseln hat sich vom betriebstechnischen Standpunkt als ungeeignet erwiesen.
In der letzten Zeit werden diese Gase zum Vorwärmen des Rohgutes vor seinem Eintritt in den Drehofen ausgenützt. Für Stückmaterial werden Systeme von Wanderrosten verwendet, bei denen die Abgase durch das Rohgut hindurchtreten und dasselbe dadurch vorwärmen. Auch diese Vorrichtungen bringen hohe Investitionskosten mit sich und sind störanfällig.
Es ist bekannt, dass der Wärmeaustausch zwischen einem strömenden Gas und feinen Material- teilchen -mit grosser Geschwindigkeit verläuft, so dass bei genügend kleinen Teilchen ein Wärmegefälle von mehreren 100 C in einem blossen Bruchteil einer Sekunde ausgeglichen werden kann. Ein Nachteil beruht jedoch darin, dass das staubförmige Material von dem Gas mitgenommen wird, so dass der Wärmeaustausch im Gleichstrom verläuft. Die Temperaturen der Gase und des Materials können sich also höchstens ausgleichen. Wenn z. B. die gleiche Gewichtsmenge von Gasen und Werkstoffen gleicher spezifischer Wärmen angenommen wird, wobei die Gastemperatur 1000 C und die Materialtemperatur 0 0 C beträgt, wird die resultierende Temperatur des Gases sowie des Materials 500 C betragen.
Der Wärmeverlust in den abziehenden Gasen ist also immer noch bedeutend.
Auf Grund dieser Erkenntnis wurden mehrstufige Wärmeaustauscher entwickelt. Das in der letzten Stufe vorgewärmte Material wird von dem Traggas abgeschieden und in die vorhergehende Stufe überführt. Hier ist die Gastemperatur höher, das Material wird wiederum auf eine höhere Temperatur vorgewärmt, von neuem abgeschieden und auf diese Weise tritt das Material durch den Wärmeaustauscher bis zur Eintrittsseite der Gase hindurch.
Eine solche Vorrichtung besteht aus einer Reihe von übereinander angeordneten Zyklonen, deren mit mechanischen Verschlüssen versehene Abführstutzen jeweils in die Verbindungsleitung des vorgehenden Zyklons münden. Auf diese Weise kann die Leistung beim Brennen von Klinkern um mehr als die Hälfte erhöht und der kalorische Verbrauch bis um 50% herabgesetzt werden. Infolge der Notwendigkeit die Zyklone übereinander zu installieren, weisen diese Vorrichtungen grosse Ausmasse auf, erfordern ein eigenes Gebäude von bis zu 30 Meter Höhe und sind deshalb kostspielig.
Eine Verbesserung in dieser Richtung stellt die vorliegende Erfindung dar. Gemäss derselben wird eine Gegenstrom-Rezirkulationsvorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einem feinkörnigen Material geschaffen, deren Hauptmerkmal darin besteht, dass sie aus von Traggas durchströmten, miteinander verbundenen Gasleitungen besteht, die an ihrem Ende, in der Strömungsrichtung betrachtet, mit einem, vorteilhaft aus flachen oder profilierten, schräg übereinander angeordneten und zueinander parallelliegenden Leisten zusammengesetzten Sieb versehen sind und in den Enden der benachbarten Leitungen Schlitze angeordnet sind, durch welche die Leitungen miteinander in Verbindung stehen,
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und dass die aufeinanderfolgenden Leitungen abwechselnd an ihren entgegengesetzten Enden verjüngt sind.
Infolge der an den Verjüngungsstellen entstehenden Umwandlung von Druck- in Geschwindigkeitsenergie bildet sich ein Sog an der Mündung der Austrittsöffnung, wodurch das Gut in den jeweils vorhergehenden Rohrstrang gelangt.
Es handelt sich hier demnach um eine Gegen- strom- Rezirkulationsvorrichtung, in welcher das in den eigentlichen Wärmeaustauscher an der Austrittsseite der Abgase eintretende Material in den einzelnen Abschnitten des Austauschers entgegen der Strömungsrichtung der Gase verschoben wird und an der Eintrittsseite der Gase in den Austauscher aus diesem austritt. Diese Verschiebung entgegen der Strömungsrichtung der Gase wird durch eine teilweise Rezirkulation des Gases zwischen den einzelnen Abschnitten des Austauschers erzielt. Es ist nicht erforderlich, das Material bei seinem Durchtritt durch den Austauscher zum Stillstand zu bringen, es aus dem Traggas abzuscheiden oder die einzelnen Austauscherstufen in irgendwelcher Weise voneinander abzutrennen.
Das Arbeitsschema des Wärmeaustauschers ist in der Zeichnung veranschaulicht. Der eigentliche Austauscher besteht aus einer bestimmten Anzahl von Kanälen, z. B. , 2, 3 und 4 und 5. Diese Kanäle sind durch Bögen 10, 14, 18 und 22 miteinander verbunden und bilden somit ein geschlossenes System. Das Gas tritt in den Austauscher durch die Leitung 26 ein und durch die Leitung 33 aus diesem aus. Am Ende jedes Kanals sind schräg angeordnete Siebe 12, 16, 20, 24 und 28 vorgesehen, die aus flachen oder in einer bestimmten Weise profilierten, unter einem bestimmten Winkel gereihten und sich entgegen der Strömungsrichtung des Gases gegenseitig überdeckenden Leisten zusammengesetzt sind.
Diese Siebe enden, in der Strömungsrichtung betrachtet, an der Wand des Anfangsteiles des vorangehenden Kanals. An diesen Stellen sind in den Trennwänden der Kanäle Schlitze 13, 17, 21 und 25 ausgeführt, durch welche die beiden Nachbarkanäle verbunden sind. Hiebei ist der vorangehende Kanal, in welchen das Sieb mit dem Schlitz an den Stellen 11, 15, 19, 23 und 27 mündet, in geeigneter Weise verjüngt.
Das feingemahlene Material wird in den letzten Kanal 5 an seinem Anfang an der Stelle 9 zugeführt und verlässt den Wärmeaustauscher an der Stelle 29 durch den Kanal 1.
Der Wärmeaustauscher arbeitetfolgendermassen :
Das warme Gas strömt in der Pfeilrichtung durch die Kanäle. An der Stelle 9 wird das Gas mit dem Material gemischt, nimmt dasselbe mit und übergibt dem Material einen Teil seiner Wärme. Am Ende des Kanals 5 stossen die Materialkörner gegen die Leisten des Siebes 12 und verschieben sich infolge ihrer Trägheit in der Richtung gegen die Mündung des Schlitzes 13.
Der Hauptteil des Traggases strömt durch das Sieb 12 in die Austrittsleitung 33. Ein Teil des das Material enthaltenden Gases wird jedoch durch den Schlitz 13 in den Kanal 4 angesaugt, wo infolge der Verjüngung an der Stelle 15 ein niedrigerer statischer Druck herrscht. Hier wird die das Material enthaltende Gasmenge wiederum mit dem Hauptstrom des Gases vermischt und das Material in der Richtung gegen das Sieb 16 getragen, wo sich der Vorgang wiederholt. Auf diese Art und Weise tritt das Material mit dem rezirkulierenden Gas durch den ganzen Austauscher entgegen der Strömungsrichtung des Gases hindurch, bis das Material am Ende des Austauschers in einem mit automatischen Klappen 31 oder einem andern mechanischen Verschluss versehenen Zyklon 30 abgeschieden wird und in den Drehofen gelangt.
Durch dieses Verfahren wird eine vollkommene Ausnützung der Abgaswärme ermöglicht. Das entgegen der Strömungsrichtung des Gases fortschreitende Material gelangt mit stets wärmeren Gasen in Berührung. Die Wärmeübertragung von dem aufgewirbelten Gas auf das pulverförmige Material ist ideal. Bei einer unendlichen Anzahl von Kanälen wäre es theoretisch möglich, eine vollständige Übergabe der Wärme von den Gasen an das Material zu erzielen, d. h. also einen Zustand, bei welchem das Material aus dem Austauscher mit der Temperatur der eintretenden Gase austreten und die Gase mit der Temperatur des eintretenden Materials abziehen würden. In Wirklichkeit ist jedoch die Anzahl der Kanäle begrenzt. Dabei ist es nicht nötig, die einzelnen Kanäle voneinander zu trennen, das Material aus den Gasen abzuscheiden oder in einer andern Weise mit ihm zu verfahren.
An dem Austauscher befinden sich keine beweglichen Teile, die sonst bei hohen Temperaturen eine bedeutende Störungsquelle darstellen. Der ganze Austauscher bildet ein kompaktes Ganzes, dessen Ausmasse kleiner als diejenigen der bestehenden Austauscherkonstruktionen sind. Seine Gestalt ermöglicht die Ausführung einer wirksamen Wärmeisolation (Ummauerung), so dass die Wärmeverluste gering sind.
Die Ausnützungsmöglichkeit des Austauschers ist äusserst weitgehend. So z. B. ermöglicht derselbe eine vollkommene Mechanisierung der Kalkerzeugung. Der geförderte Kalkstein wird ohne jegliches Sortieren zuerst zerkleinert und auf eine gewünschte Körnung gemahlen. Hierauf wird er in dem Austauschersystem vorgewärmt und schliesslich in einem Drehofen gebrannt. Als Produkt ergibt sich dann gemahlener Kalk.
Ausser allen Vorteilen, die dieses wärmewirtschaftliche technologische Verfahren bietet, muss noch betont werden, dass auf diese Weise der gesamte geförderte Kalkstein verarbeitet werden kann, von dem bei dem bisherigen Brennverfahren in Ring- und Schachtöfen bis zu 40 Prozent in der Form von Schotter in Wegfall kommt.
Ferner kann der erfindungsgemässe Austauscher z.
B. in einer Überdruckausführung zum Trocknen von feinkörnigem Material oder schliesslich auch zum Vorwärmen des Zementrohmaterials vor
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seinem Eintritt in den Drehofen verwendet werden.
Es ist daher klar, dass der erfindungsgemässe Austauscher in verschiedenen weiteren Einrichtungen und Abänderungen durchgeführt werden kann, u. zw. nicht nur was die eigentliche Ausführung und Anordnung des Hilfszubehörs des Austauschers, sondern auch seine Verwendung anbelangt, ohne dadurch den eigentlichen Grundgedanken der Erfindung zu ändern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gegenstrom-Rezirkulationsvorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem Gas und einem feinkörnigen Material, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus von Traggas durchströmten miteinander verbundenen Gasleitungen (1 bis 5) besteht, die an ihrem Ende, in der Strömungsrich- tung betrachtet, mit einem vorteilhaft aus flachen oder profilierten, schräg übereinander angeordneten und zueinander parallelliegenden Leisten zusammengesetzten Sieb versehen sind und in den Enden der benachbarten Leitungen Schlitze (13, 17, 21, 25) angeordnet sind, durch welche die Leitungen miteinander in Verbindung stehen, und dass die aufeinanderfolgenden Leitungen abwechselnd an ihren entgegengesetzten Enden verjüngt sind.