AT507100A4

AT507100A4 - Vorrichtung und verfahren zur wärmeübertragung

Info

Publication number: AT507100A4
Application number: AT0114108A
Authority: AT
Inventors: Klaus Stanke; Lewinski Mathias Von; Paul Dr Kroehl
Original assignee: Andritz Tech & Asset Man Gmbh
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2010-02-15
Also published as: CN101634530A; CA2673640A1; CL2009001614A1; US20100059204A1; US8211371B2; CA2673640C; AT507100B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere in Wirbelschichtapparaten sowie ein Verfahren zur Wärmeübertragung in Hochtemperaturprozessen von Schüttgut, insbesondere Granulaten oder Pulvern, in Wirbelschichtapparaten. 5 Bei vielen Hochtemperaturprozessen muss Wärme zu- oder abgeführt werden, um die Reaktion zu steuern. Dazu gehören z.B. die Calcinierung von Kalkstein zu Branntkalk und die Dehydration von Gips zu Stuckgips oder Anhydrit als Vertreter für endotherme Reaktionen und z.B. die Röstung von Erzen wie Molybdänglanz MoS2 und Pyrit FeS2 zu ihren Oxiden als Vertreter für 10 exotherme Reaktionen.

Die Reaktionskinetik verlangt eine kontrollierte Temperaturführung, um unvollständige oder zu schnelle Reaktionsabläufe zu verhindern. Insbesondere bei durchgehenden exothermen Reaktionen kommt es zu unerwünschten Anschmelzungen, Sinterungen und Nebenprodukten oder gar Zerstörung der 15 Apparatur.

Der Stand der Technik kennt verschiedene Ansätze zur Lösung dieser Problematik.

In DE 25 11 944 wird ein zylindrischer Wirbelschichtreaktor zur Verbrennung von Kohlegranulat vorgeschlagen. Die Wärme wird durch horizontal über-20 einander angeordnete, luftdurchströmte Wärmetauscherrohre abgeführt. Die Rohre sind evolventenförmig gebogen, und verbinden das zentral angeordnete Luftspeiserohr mit dem konzentrischen Sammler an der Außenwand. Durch die Evolventenabwicklung am Kreis ergibt sich eine hohe, gleichmäßige Packung und eine spannungsarme Wärmedehnungsverformung. Wegen der hohen 25 Packungsdichte kann dieses Verfahren nicht für feinkörnige Pulver angewendet werden, da es zur Brückenbildung und Verstopfung zwischen den Wärmetauscherrohren kommt. Die WO 97/07073 schlägt für die endotherme Dehydration von Gips zylindrische Behälter vor, die im Bereich der Behälterwand eine konzentrische Rohrschlange aufweisen, die durch Rauchgase 30 beheizt wird. Im verbleibenden freien Innenraum befindet sich ein Wendelrührer zur Auflockerung des Gipses. Damit verbessert sich die Wärmeübertragung und durch mehrstufige Anordnung der Kessel soll sich eine verbesserte Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Verfahren ergeben. Allerdings ist 1

5402-AT die am Rand des Behälters einzubringende Wärmetauscherfläche klein und die erreichbare Verbesserung gering.

Bei der Röstung von MoS2 wird nach wie vor ein konventioneller vielstufiger 5 Herdofen [Ullmann] verwendet, über dessen einzelne Horde sich ein Temperaturprofil einstellt, das nur sehr unvollkommen über die Verbrennungsluft und Wassereindüsung kontrolliert werden kann. Zur Verbesserung des Stoffaustauschs zwischen Gas und Feststoff und zur Förderung des Pulvers ist ein zentrales Rührwerk mit Armen auf jeder Horde vorgesehen. Trotzdem 10 kommt es zu Sinterungen und unvollständigen Oxidationen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, für Schüttgut, insbesondere Granulate oder Pulver ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine gute Regelbarkeit des Wärmeübergangs und eine Verhinderung von allfälligen Anbackungen gewährleistet. 15 Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ebenen von Wärmetauscherrohren vorgesehen sind zwischen denen radiale Arme zur Mischung und Auflockerung des Produktes angeordnet sind, wobei die Wärmetauscherrohre sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt erstrecken können. 20 Die radialen Arme sind vorteilhafterweise als rotierende Rührarme ausgebildet. Damit kann wirkungsvoll die Fluidisierung des Schüttgutes unterstützt und somit eine gleichmäßige Wärmebehandlung erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Packungsdichte, ohne daß sich Brücken oder Verstopfungen zwischen den Rohren bilden. 25 Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre rotierend ausgebildet sind, wobei die Drehachse in vorzugsweise zwei Kammern, in die die Wärmetauscherrohre münden, geteilt sein kann. Durch die Rotation der Wärmetauscherrohre ergibt sich eine Relativbewegung zu allfällig feststehenden Armen, die dann als Strömungsbrecher fungieren. 30 Dadurch wird das Verblocken und Anbacken des Wärmetauschers mit Produkt verhindert.

Eine günstige Ausgestaltung dieser Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Drehachse Drehüberträger zum Ein- bzw. Ausleiten des Wärme- 2

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übertragungsmediums vorgesehen sind. Damit kann in einfacher Weise das Wärmeträgermedium ein- bzw. ausgeleitet werden.

Werden mehrere Apparate zu einer Kaskade zusammengeschaltet, so kann sowohl der Abzug von Zwischenprodukten als auch das Einstellen unter-5 schiedlicher Reaktionsbedingungen z. B. zur Erzeugung bestimmter Produkteigenschaften, ermöglicht werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wärmeübertragung in Hochtemperaturprozessen von Schüttgut, insbesondere Granulaten oder Pulvern, in 10 Wirbelschichtapparaten, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärme in mehreren Ebenen in die Wirbelschicht abgegeben bzw. von ihr aufgenommen wird und zwischen den Ebenen eine mechanische Aktivierung des fluidisierten Schüttgutes erfolgt. Dadurch ist die Ausnutzung von unterschiedlichen Wärmeträgem, z. B. mit unterschiedlicher Temperatur, möglich. 15 Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Wirbelschicht erfolgt. Damit ergibt sich eine hohe Energiedichte, die die den Einsatz von kompakten Apparaten ermöglicht.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass 20 das Wärmeträgermedium ein Gas ist. Damit lässt sich günstig eine Regelung über einen sehr großen Temperaturbereich erzielen.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stufen vorgesehen sind. Dadurch lassen sich Zwischenprodukte der Reaktion gezielt erzeugen und für eine weitere Nutzung abziehen. 25 Das erfindungsgemäße Verfahren vereint die Vorteile der vorgenannten Prozesse ohne die Nachteile zu übernehmen: hohe volumenspezifische Wärmetauscherfläche ermöglicht hohe Leistungsdichte und Wirtschaftlichkeit, - ein Rührwerk oder rotierende Wärmetauscherrohre verhindern 30 Brückenbildung und gestatten die Anwendung auf feinkörnige

Pulver, - die Fluidisierung ergibt ein homogenes Reaktionsprodukt und verhindert lokale Überhitzung/Unterkühlung 3

5402-AT ·· ···· »··· die Verwendung von Gas als Wärmeübertragungsmedium ermöglicht die Temperaturregelung in einem sehr großen Temperaturbereich. 5 Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine alternative Ausführung gemäß der Erfindung und 10 Fig. 5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres darstellt.

Fig. 1 stellt ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Dies besteht aus einem Wirbelschichtapparat 1, der in mehreren Lagen mit horizontalen Wärmetauscherrohren 2 durchzogen ist. Die Rohre werden mit Gas 8 (Luft, iS Rauchgas, überhitzter Dampf, etc) durchströmt, um Wärme an das über Leitung 9 eingebrachte und um die Rohre 9 fluidisierende Schüttgut abzugeben oder von ihm aufzunehmen. Gas eignet sich als Wärmeträger besonders, da es keinen Temperatur- und Druckbeschränkungen wie etwa Thermoöl oder Satt-dampf/Kondensat unterliegt. 20 Weiterhin gibt es eine Verteilvorrichtung für das Fluidisierungsgas 10, z.B. in Form eines Anströmbodens 3 sowie einen oberen Freiraum 4, in dem sich mitgerissene Partikel noch vom Gasstrom trennen können, bevor dieser in die Ent-staubung/Gasreinigung 5 gelangt.

Der fluidisierte Zustand sorgt für einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch, 25 so dass es zu keinen Inhomogenitäten des Produktes kommt. Durch entsprechende Temperaturführung des Wärmeträgers kann die Temperatur im Apparat sehr genau kontrolliert werden, so dass es nicht zu Unterkühlungen, Überhitzungen und unkontrollierten Reaktionen kommen kann.

Das Schüttgut wird über Leitung 9 in den Apparat 1 gefördert und reagiert ent-30 sprechend der Reaktionsbedingungen zum Endprodukt, wobei es wegen der guten Durchmischung weitgehend den Gesetzmäßigkeiten eines so genannten idealen Rührkessels folgt. Durch Hintereinanderschalten mehrer Apparate 1 zu einer Kaskade kann der Endzustand auch in mehreren Stufen erreicht werden. 4

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Dadurch wird der Abzug von Zwischenprodukten ermöglicht oder das Einstellen unterschiedlicher Reaktionsbedingungen, um bestimmte Produkteigenschaften zu erhalten.

Das Endprodukt verlässt den Apparat 1 durch eine Austragsschleuse 7 am 5 Boden oder eine Überlauföffnung 6, vorzugsweise oberhalb des Wärmetauscherbereichs.

Bei der thermische Behandlung von z.B. sehr feinkörnigen, stark heterogenen oder sehr leichten Schüttgütern kann es zu inhomogener Fluidisierung im 10 Bereich des Wärmetauschers kommen bis hin zu Belagbildungen und Verblockungen zwischen den Rohren des Wärmetauschers.

Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen des Verfahrens lässt sich das Problem lösen.

Bei der ersten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 2) ist der 15 Wärmetauscher 23 starr montiert. Im Zentrum befindet sich eine vertikale Achse 21, an der radial Rührarme 22 montiert sind, die bis zum Rand des Behälters 20 reichen. Die Arme sind in mehreren Ebenen jeweils zwischen zwei Rohrlagen des Wärmetauschers 23 angeordnet, so dass der gesamte Wärmetauscherbereich erfasst wird. Es gibt vorzugsweise mehrere Arme 22 je Ebene. Die 20 Achse 21 weist einen Antrieb 24 auf und durch die auf die Arme 22 übertragene Bewegung wird die Fluidisierung des Schüttguts mechanisch unterstützt, so dass sich keine Anbackungen oder Verblockungen ausbilden können. Die Ein-und Ausleitung des Wärmeträgergases 8 erfolgt über Sammler 25 außen an der Behälterwand 20, in die die einzelnen Wärmetauscherrohre münden (Fig. 3). 25 Eine zweite Ausbildung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier rotiert der Wärmetauscher 31 mit der vertikalen Welle 32, die auch der Zu- und Abfuhr 37 des Wärmeträgergases dient. Von der Behälteraußenwand 20 her ragen radial Arme 33 in den Wärmetauscherbereich hinein. Sie sind in der Höhe in mehreren Ebenen angeordnet, so dass sie jeweils zwischen zwei Rohrlagen 34 30 zu liegen kommen und den gesamten Wärmetauscherbereich erfassen. Über den Umfang verteilt können sich in jeder Ebene ebenfalls mehrere Arme befinden. Bei der Rotation des Wärmetauschers 31 ergibt sich somit eine Relativbewegung, die Arme 33 fungieren als Strömungsbrecher, unterstützen 5

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mechanisch die Fluidisation und verhindern das Verblocken des Wärmetauschers mit Produkt. Die Verteilung des Wärmeträgergases auf die einzelnen Rohre erfolgt durch die in zwei Kammern 35, 36 geteilte hohle Drehachse 32 des Wärmetauschers 31, in die die Rohre 34 wechselweise münden (siehe 5 auch Fig. 5). Mit Hilfe von Drehübertragem 37 an den Achsenenden wird das gesammelte Gas ein- bzw. ausgeleitet.

Die Erfindung ist nicht durch die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungen beschränkt. So könnten auch sowohl die Wärmetauscherrohre, als auch die Rührarme rotieren, wobei hier darauf geachtet werden muss, dass 10 eine Relativbewegung vorhanden ist. Die Vorrichtung könnte auch grundsätzlich mit anderen Wärmeträgem (Sattdampf, Heißwasser, Thermoöl...) betrieben werden.

Auch die Anordnung und Form der Wärmetauscherrohre kann anders als dargestellt gewählt werden, z.B. als regelmäßig mäandernde Heizschlangen 15 konventioneller Art. 6

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Claims

·· ···· ···# ·· ♦· ·· ········ · · • •••••·· · · • ·· ·· ·· · ·· Ansprüche 1. Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere in Wirbelschichtapparaten, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ebenen von Wärme- 5 tauscherrohren vorgesehen sind zwischen denen radiale Arme zur Mischung und Auflockerung des Produktes angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Arme als rotierende Rührarme ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherrohre rotierend ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreh- 15 achse in, vorzugsweise zwei, Kammern geteilt ist, in die die Wärme tauscherrohre münden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Drehachse Drehüberträger zum Ein- bzw. Ausleiten der Wärmeübertragungsgase vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass mehrere Apparate zu einer Kaskade zusammengeschaltet sind.
8. Verfahren zur Wärmeübertragung in Hochtemperaturprozessen von Schüttgut, insbesondere Granulaten oder Pulvern, in Wirbelschicht- 25 apparaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme in mehreren Ebenen in die Wirbelschicht abgegeben bzw. von ihr aufgenommen wird und zwischen den Ebenen eine mechanische Aktivierung des fluidisierten Schüttgutes erfolgt
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- 30 Übertragung im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Wirbelschicht erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein Gas ist. 7 5402-AT ·· ·· ·· ·· ···· ···· • • • • • · · • • • • • • • ·· · • • • • • • • • · · • • • • •
11 .Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stufen vorgesehen sind. 5402-AT 8