DE102007032085A1

DE102007032085A1 - Wirbelschichtreaktor zum Behandeln von wirbelfähigen Substanzen und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102007032085A1
Application number: DE102007032085A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Emmel; Jean-Claude Dr. Hein; Max-Dieter Laumann; Franz Dipl.-Ing. Reisser
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Outotec Oyj
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-15
Also published as: BRPI0814701A2; UA98971C2; CN101687163A; EA201000163A1; EA015592B1; CA2692980C; ATE506116T1; NZ582189A; CN101687163B; CA2692980A1; BRPI0814701B1; EP2178629B1; WO2009006958A1; DE602008006415D1; EP2178629A1; AU2008274669A1; ZA200909155B; AU2008274669B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor (1) zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen sowie ein Verfahren hierfür. In den Reaktorinnenraum (2) wird über wenigstens ein Zentralrohr (3) Prozessgas und über einen Düsenboden (7) Fluidisierungsgas eingebracht. Dabei sind die metallischen Wände des Zentralrohres (3), eines mit diesem verbundenen Behälters (4) und eines unterhalb des Düsenbodens (7) vorgesehenen Ringraumes (9) mit einer thermischen Isolierbeschichtung (6, 10) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktorinnenraum mit wenigstens einem Zentralrohr zum Einbringen von Prozessgas in den Reaktorinnenraum und einem Düsenboden zum Einbringen von Fluidisierungsgas in den Reaktorinnenraum, wobei in Einbaulage unterhalb des Zentralrohres ein gegenüber diesem im Durchmesser verbreiterter Behälter vorgesehen ist, in welchen eine erste Leitung zur Zufuhr des Prozessgases mündet, und wobei in Einbaulage unterhalb des Düsenbodens ein das Zentralrohr umgebender Ringraum vorgesehen ist, in welchen eine Leitung zur Zufuhr des Fluidisierungsgases mündet. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem derartigen Reaktor.
Aus dem Stand der Technik sind Wirbelschichtreaktoren der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen der das Zentralrohr umgebende Ringraum beabstandet von dem Behälter an dem Zentralrohr befestigt ist. Die Wände des Zentralrohres, des Behälters und des Ringraumes bestehen dabei meist aus einem hochwarmfesten Edelstahl, um den bei der Behandlung von wirbelfähigen Substanzen auftretenden hohen Temperaturen von häufig bis zu etwa 1000°C widerstehen zu können. Zusätzlich ist häufig eine Kühlung des Zentralrohres vorgesehen, wobei hierzu meist ein dünner Ringraum um das Zentralrohr herum geschaffen wird, der teilweise innerhalb des Ringraums zur Zufuhr des Fluidisierungsgases liegt, und durch welchen beispielsweise Luft mit Umgebungstemperatur geleitet wird.
Trotz der Kühlung und der Verwendung von vergleichsweise teurem hochwarmfesten Edelstahl sind nicht nur die hohen Temperaturen innerhalb des Zentralrohres teilweise nur sehr schwer zu beherrschenden, sondern es wird bei derartigen Reaktoren auch die gesamte Konstruktion, insbesondere hinsichtlich ihrer Steifigkeit, als verbesserungswürdig empfunden. So treten neben den thermischen Belastungen an dem Zentralrohr auch mechanische Belastungen infolge des sich auf diesem abstützenden Ringraumes zur Zufuhr des Fluidisierungsgases auf.
Gleichzeitig wird bei der Verwendung derartiger Reaktoren die energetische Effizienz als verbesserungswürdig empfunden, da stets vergleichsweise kühles Fluidisierungsgas, häufig Umgebungsluft, in den Reaktorinnenraum eingebracht wird, obwohl beispielsweise bei der reduzierenden Röstung von Ilmenit die Zufuhr von heißerem Fluidisierungsgas bevorzugt würde. Gleichzeitig wirkt sich die Kühlung des Zentralrohres, durch welches aufgeheiztes Prozessgas zugeführt wird, zu einer Abkühlung des Prozessgases und damit zu einer Verschlechterung der Effizienz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen Reaktor und ein Verfahren der oben genannten Art zu schaffen, bei welchen sich eine verbesserte energetische Effizienz des Prozesses ohne Beeinträchtigung der Betriebssicherheit der Konstruktion erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass bei einem Reaktor der eingangs genannten Art die metallischen Wände des Zentralrohres, des Behälters und des Ringraumes mit einer thermischen Isolierbeschichtung versehen sind, wobei die Außenwand des Ringraumes wenigstens abschnittsweise an die Wand des Behälters angrenzt. Die Auskleidung der metallischen Wände des Zentralrohres, des Behälters und des Ringraumes ermöglichen es, die thermischen Belastungen, die auf diese Wände wirken, selbst bei Prozessen mit höheren Temperaturen des Prozess- und/oder Fluidisierungsgases erheblich zu senken. Gleichzeitig stellt sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung in den Wänden des Zentralrohres, des Behälters und den Ringraumes ein, so dass keine thermischen Spannungen im Übergangsbereich zwischen diesen Bauteilen erzeugt werden. Zudem werden dadurch, dass die Außenwand des Ringraumes an die Wand des Behälters angrenzt, die auf das Zentralrohr wirkenden mechanischen Belastungen infolge der Gewichtskraft des Ringraumes erheblich reduziert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wirbelschichtreaktors wird folglich eine konstruktiv einfachere und erheblich steifere Bauweise erreicht, die auch höheren thermischen und/oder mechanischen Belastungen besser als bekannte Reaktoren standhalten kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die thermische Isolierbeschichtung durch eine Auskleidung mit feuerfestem Beton gebildet. Die Isolierbeschichtung kann auch wenigstens eine Schicht aus Schamottestein und/oder Feuerbeton und/oder eine Schicht aus Feuerleichtstein und/oder Isolierbeton aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion des Wirbelschichtreaktors, der eine Reduzierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen bewirkt, ist es möglich, die metallischen Wände des Zentralrohres, des Behälters und/oder des Ringraumes aus einem warmfesten Kohlenstoffstahl herzustellen. Dieser ist erheblich günstiger als der bisher üblicherweise verwendete hochwarmfeste Edelstahl, so dass die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors gering gehalten werden können.
Wenn sich die Außenwand des Ringraumes wenigstens abschnittsweise auf der Wand des Behälters abstützt, kann eine besonders wirkungsvolle mechanische Entlastung des Zentralrohres erreicht werden. Dies verbessert weiter die Steifigkeit des Wirbelschichtreaktors. Hierdurch ist auch eine seitliche Einleitung des heißen Prozessgases mit einem hohen Druck von bspw. etwa 60 kPa in den Behälter möglich, ohne dass eine Beschädigung des Reaktors durch Spannungsspitzen zu befürchten ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Zentralrohr in Einbaulage kurz unterhalb des Düsenbodens wenigstens ein Kompensatorelement zum Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen des Zentralrohres angeordnet. So bietet es sich beispielsweise an, das Kompensatorelement in Einbaulage zwischen dem Düsenboden und der zweiten Leitung zur Zufuhr des Fluidisierungsgases vorzusehen. Damit ist das Kompensatorelement innerhalb des Zentralrohres von oben gut zugänglich angeordnet. Das Kompensatorelement selbst reduziert durch den Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen die hierdurch hervorgerufenen Spannungen innerhalb des Zentralrohres weiter. Dies trägt zusätzlich zur Senkung der auf den erfindungsgemäßen Reaktor wirkenden Belastungen bei.
Im Betrieb kann es nicht ausgeschlossen werden, dass durch das Zentralrohr oder durch den Düsenboden Staub und/oder wirbelfähige Substanzen in den Behälter und/oder in den Ringraum gelangen. Dies kann zu einem Verstopfen des Zentralrohres und/oder des Düsenbodens, zumindest aber zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Luftflusses führen. Dieses Problem kann auch dann auftreten, wenn staubbelastete Gase als Prozessgas und/oder Fluidisierungsgas verwendet werden. Erfindungsgemäß ist daher in dem Behälter und/oder in dem Ringraum, insbesondere in dem jeweils in Einbaulage unteren Bereich, wenigstens eine Öffnung zum Ausbringen von Staub und/oder wirbelfähigen Substanzen vorgesehen. Ein Verstopfen des Zentralrohres oder des Düsenbodens bzw. des darunter vorgesehenen Behälters oder Ringraumes lässt sich auf diese Weise wirkungsvoll vermeiden, ohne dass dies mit einem erhöhten Reinigungsaufwand verbunden wäre.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktor, beispielsweise bei einem Wirbelschichtreaktor der oben genannten Art, gelöst, wobei in den Reaktorinnenraum über ein Zentralrohr Prozessgas mit einer Temperatur von über 1000°C und einem Druck von über 30 kPa und über einen Düsenboden Fluidisierungsgas mit einer Temperatur von über 250°C eingebracht wird. Das Fluidisierungsgas wird hierbei erfindungsgemäß über einen in Einbaulage unterhalb des Düsenbodens angeordnet und das Zentralrohr umgebenden Ringraum, in welchen eine Leitung zur Zufuhr des Fluidisierungsgases mündet, zugeführt, ohne dass die Wände des Zentralrohres zusätzlich gekühlt werden. Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgelegt, dass bereits das Fluidisierungsgas mit einer vergleichsweise hohen Temperatur in den Reaktorinnenraum eingebracht werden kann. Zusammen mit der ebenfalls vergleichsweise hohen Temperatur des in den Reaktorinnenraum eingebrachten Prozessgases lässt sich hierdurch die energetische Effizienz des Verfahrens deutlich verbessern. Hierbei wird es bevorzugt, wenn als Fluidisierungsgas vorgewärmtes Rückführgas eingesetzt wird.
Die energetische Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch durch den Verzicht auf eine zusätzliche Kühlung des Zentralrohres weiter verbessert, da das Zentralrohr und damit auch das durch dieses geleitete zuvor aufgeheizte Prozessgas nicht durch die zusätzliche Kühlung abgekühlt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Prozessgas mit einer Temperatur von über 1150°C, insbesondere mit einer Temperatur von etwa 1250°C, in den Reaktorinnenraum eingebracht. Weiter kann der Druck des Prozessgases über 45 kPa, insbesondere etwa 60 kPa, betragen. Weiter wird es bevorzugt, wenn die Temperatur des in den Reaktorinnenraum eingebrachten Fluidisierungsgases über 300°C, insbesondere über etwa 350°C liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor eignen sich insbesondere zur reduzierenden Röstung von Ilmenit oder dergleichen wirbelfähigen Substanzen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung 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.
Die einzige Figur zeigt schematisch in Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor. Der in der Figur dargestellte in Einbaulage untere Bereich des schematisch angedeuteten Wirbelschichtreaktors 1 zeigt einen Reaktorinnenraum 2, in welchem wirbelfähige Substanzen, beispielsweise Ilmenit, einer chemischen und/oder physikalischen, beispielsweise einer thermischen, Behandlung, insbesondere einem reduzierenden Rösten, unterworfen werden.
In den Reaktorinnenraum 2 mündet ein Zentralrohr 3, das in der Figur nach oben in den Reaktorinnenraum 2 hineinragt. In Einbaulage und in der Zeichnung nach unten schließt sich an das Zentralrohr 3 ein Behälter 4 mit einem gegenüber dem Zentralrohr 3 vergrößerten Durchmesser an. In diesen Behälter 4 mündet eine erste Leitung 5, über welche heißes Prozessgas mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 1250°C eingebracht wird, welches dann durch den Behälter 4 und das Zentralrohr 3 in den Reaktorinnenraum 2 strömt.
Sowohl das Zentralrohr 3 als auch der Behälter 4 bestehen dabei aus einem warmfesten Kohlenstoffstahl, der innen mit einer Schicht 6 aus einem feuerfesten Beton ausgekleidet ist. Diese innere Isolierung des Zentralrohres 3 und des Behälters 4 bewirkt, dass auf eine zusätzlich Kühlung des Zentralrohres 3, beispielsweise mittels Umgebungsluft, gänzlich verzichtet werden kann.
Der das Zentralrohr 3 umgebende Boden des Reaktorinnenraumes 2 ist bereichsweise als ein Düsenboden 7 mit mehreren in den Reaktorinnenraum 2 mündenden Düsen ausgebildet. In Einbaulage unterhalb des Düsenbodens 7 ist durch eine Wand 8 ein Ringraum 9 gebildet, der das Zentralrohr 3 umgibt. Die Wand 8 des Ringraumes 9 stützt sich dabei auf der in der Figur oberen Wand des Behälters 4 ab. Damit wird das Zentralrohr 3 im Wesentlichen von mechanischen Belastungen durch den Ringraum 9 befreit und die Gestaltung des Reaktors 1 wird insgesamt steifer. Gleichzeitig wird durch das Einschließen des Zentralrohres 3 in dem Ringraum 9 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Zentralrohres 3 eine annährend konstante Wärmeverteilung erreicht, so dass keine lokalen Belastungsspitzen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen auftreten.
Auch die Wand 8 kann aus einem warmfesten Kohlenstoffstahl bestehen und auf der inneren, dem Zentralrohr 3 zugewandten Seite mit einer Isolierschicht 10 aus einem feuerfesten Beton ausgekleidet sein.
Die Isolierschichten 6 und 10 bewirken, dass sich trotz der unterschiedlichen Temperaturen der durch den Ringraum 9 und das Zentralrohr 3 zugeführten Gase innerhalb der metallischen Wände des Zentralrohres 3, des Behälters 4 sowie der Wand 8 eine zumindest annähernd gleiche Temperatur einstellt, wodurch Wärmespannungen erheblich reduziert werden können.
In den Ringraum 9 mündet eine zweite Leitung 11, über welche Fluidisierungsgas in den Ringraum 9 und über diesen durch den Düsenboden 7 in den Reaktorinnenraum 2 eingebracht wird. Hierdurch werden die in dem Reaktorinnenraum 2 befindlichen wirbelfähigen Substanzen fluidisiert. Als Fluidisierungsgas wird dabei vorzugsweise auf beispielsweise etwa 350°C vorgewärmtes Rückführgas verwendet.
Wie in der Figur gezeigt, sind sowohl an dem in Einbaulage unteren Ende des Behälters 4 als auch an dem in Einbaulage unteren Ende des Ringraumes 9 in der Wand 8 Öffnungen 12 bzw. 13 ausgebildet. Die Größe der Öffnungen 12 und 13 ist dabei derart bemessen, dass durch das Prozess- oder Fluidisierungsgas mitgeführter Staub und/oder durch den Düsenboden 7 oder das Zentralrohr 3 in den Ringraum 9 bzw. in den Behälter 4 herabfallende wirbelfähige Substanzen aus dem Ringraum 9 bzw. aus dem Behälter 4 ausgebracht werden können, um so ein Verstopfen oder Zusetzen der Zuführkanäle für das Prozess- und Fluidisierungsgas zu verhindern.
In dem oberen Bereich des Zentralrohres 3 ist ein Kompensatorelement 14 vorgesehen, welches in der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Düsenboden und der Einmündung der zweiten Leitung 11 und damit von oben, d. h. aus dem Reaktorinnenraum 2 heraus, gut zugänglich angeordnet ist. Das Kompensatorelement 14 ist dabei zur Aufnahme von beispielsweise temperaturbedingten Längenänderungen des Zentralrohres 3 geeignet. Es kann somit die auf das Zentralrohr 3 wirkenden Belastungen weiter senken.

1: Wirbelschichtreaktor
2: Reaktorinnenraum
3: Zentralrohr
4: Behälter
5: erste Leitung (Prozessgas)
6: Isolierbeschichtung
7: Düsenboden
8: Wand
9: Ringraum
10: Isolierbeschichtung
11: zweite Leitung (Fluidisierungsgas)
12: Öffnung in dem Behälter 4
13: Öffnung in der Wand 8
14: Kompensatorelement

Claims

Wirbelschichtreaktor zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktorinnenraum (2) mit wenigstens einem Zentralrohr (3) zum Einbringen von Prozessgas in den Reaktorinnenraum (2) und einem Düsenboden (7) zum Einbringen von Fluidisierungsgas in den Reaktorinnenraum (2), wobei in Einbaulage unterhalb des Zentralrohres (3) ein gegenüber diesem im Durchmesser verbreiterter Behälter (4) vorgesehen ist, in welchen eine erste Leitung (5) zur Zufuhr des Prozessgases mündet, und wobei in Einbaulage unterhalb des Düsenbodens (7) ein das Zentralrohr (3) umgebender Ringraum (9) vorgesehen ist, in welchen eine zweite Leitung (11) zur Zufuhr des Fluidisierungsgases mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Wände des Zentralrohres (3), des Behälters (4) und des Ringraumes (9) mit einer thermischen Isolierbeschichtung (6, 10) versehen sind, wobei die Außenwand (8) des Ringraumes (9) wenigstens abschnittsweise an die Wand des Behälters (4) angrenzt.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierbeschichtung (6, 10) durch wenigstens eine Schicht oder Auskleidung aus einem feuerfesten Beton gebildet ist.
Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Wände des Zentralrohres (3), des Behälters (4) und/oder des Ringraumes (9) aus einem warmfesten Kohlenstoffstahl bestehen.
Wirbelschichtreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Außenwand (8) des Ringraumes (9) wenigstens abschnittsweise auf der Wand des Behälters (4) abstützt.
Wirbelschichtreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zentralrohr (3) in Einbaulage kurz unterhalb des Düsenbodens (7), vorzugsweise in Einbaulage oberhalb der zweiten Leitung (11) zur Zufuhr des Fluidisierungsgases, wenigstens ein Kompensatorelement (14) zum Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen des Zentralrohres (3) angeordnet ist.
Wirbelschichtreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (4) und/oder in dem Ringraum (9), insbesondere in dem jeweils in Einbaulage unteren Bereich, wenigstens eine Öffnung (12, 13) zum Ausbringen von Staub und/oder wirbelfähigen Substanzen vorgesehen ist.
Verfahren zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln von wirbelfähigen Substanzen in einem Reaktor, insbesondere in einem Wirbelschichtreaktor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den Reaktorinnenraum (2) über ein Zentralrohr (3) Prozessgas mit einer Temperatur von über 1000°C und einem Druck von über 30 kPa und über einen Düsenboden (7) Fluidisierungsgas, insbesondere vorgewärmtes Rückführgas, mit einer Temperatur von über 250°C eingebracht wird, wobei das Fluidisierungsgas über einen in Einbaulage unterhalb des Düsenbodens (7) angeordneten und das Zentralrohr (3) umgebenden Ringraum (9), in welchen eine Leitung (11) zur Zufuhr des Fluidisierungsgases mündet, zugeführt wird, ohne dass die Wände des Zentralrohres (3) zusätzlich gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas mit einer Temperatur von über 1150°C, insbesondere etwa 1250°C, in den Reaktorinnenraum (2) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas mit Druck von über 45 kPa, insbesondere etwa 60 kPa, in den Reaktorinnenraum (2) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidisierungsgas mit einer Temperatur von über 300°C, insbesondere etwa 350°C, in den Reaktorinnenraum (2) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wirbelfähigen Substanzen, insbesondere Ilmenit, durch die Behandlung reduzierend geröstet werden.
Verwendung eines Wirbelschichtreaktors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum reduzierenden Rösten von Ilmenit in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11.