DE102016209817B4

DE102016209817B4 - Solarbeheizter Reaktor, Industrieofen sowie Zementherstellungsanlage

Info

Publication number: DE102016209817B4
Application number: DE102016209817.9A
Authority: DE
Inventors: Gkiokchan Moumin; Stefania Tescari; Matthias Lange; Jan Felinks
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2036-06-04
Also published as: DE102016209817A1

Abstract

Solarbeheizter Reaktor (1) mit einem einen Reaktionsraum (5) bildenden Drehrohr (3), wobei ein partikelförmiger Reaktionsstoff durch den Reaktionsraum leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) zumindest teilweise von einem eine Kammer (13) bildenden Gehäuse (11) umgeben ist, wobei das Gehäuse mindestens eine Öffnung (15) zum Eintritt von fokussierter Solarstrahlung aufweist und die in die Kammer (13) eintretende Solarstrahlung in der Kammer (13) zur Erwärmung des Drehrohres (3) absorbierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen solarbeheizten Reaktor, einen Industrieofen mit einem erfindungsgemäßen solarbeheizten Reaktor und eine Zementherstellungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Industrieofen.
Die Verarbeitung von nichtmetallischen Mineralien in Partikelform bei hohen Temperaturen wird derzeit in der Industrie durch vertikale Schachtöfen, Drehrohröfen oder Zyklonreaktoren realisiert. Insbesondere bei der Erzeugung von Branntkalk und Zement werden derartige Öfen bzw. Reaktoren eingesetzt. Ein derartiger Reaktor ist beispielsweise aus US 1,800,247 A bekannt. Die vorbekannten Öfen bzw. Reaktoren werden zumeist mit fossilen Brennstoffen beheizt. Zement ist weltweit ein stark konsumiertes Gut, wobei bereits jetzt etwa 5% der weltweiten antropogenen CO₂ Emission durch die Zementindustrie erfolgt. Es ist zu erwarten, dass bis zum Jahr 2050 Mehrbedarf an Zement von ca. 40% bis 70% entsteht. Demnach wird auch ein Anstieg der durch die Zementherstellung hervorgerufenen CO₂ Emission erfolgen.
Neben der CO₂ Erzeugung während der Kalzinierung in Zementherstellungsanlagen wird somit weiteres CO₂ durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe erzeugt. Ferner wird bei herkömmlichen Anlagen häufig das Rohmehl für das Zement, das aus Kalkstein, Ton und je nach Bedarf auch Eisenerz besteht, direkt dem Rauchgas ausgesetzt, so dass es zu Verunreinigungen des Zements kommen kann oder das bei der Kalzinierung erzeugte CO₂ sich mit dem Rauchgas mischt und somit nur aufwändig abgeführt werden kann. Das gleiche Problem besteht auch bei der Herstellung von Branntkalk, das insbesondere für die Lebensmittelproduktion einen hohen Reinheitsgrad aufweisen muss.
Grundsätzlich besteht bei derartigen Reaktoren das Problem, dass ein hoher Umsatz bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erfolgen muss.
Erste Ansätze, Reaktoren zur Verarbeitung von Partikeln bei hohen Temperaturen bereitzustellen, die anstelle von fossilen Brennstoffen Solarenergie verwenden, wurden entwickelt. Hierbei wird zwischen zwei verschiedenen Systemen unterschieden. Einerseits existieren direkt bestrahlte Systeme, bei denen die Solarstrahlung direkt auf die zu kalzinierenden Partikel trifft. Bei derartigen Anlagen besteht das Problem, dass eine Öffnung des Reaktionsraumes zur Atmosphäre bestehen muss, durch die die Solarstrahlung eintreten kann. Wenn Partikel eine kleine Korngröße besitzen, wie beispielsweise Kalksteinpartikel bei der Kalzinierung, kann nicht wirksam vermieden werden, dass eine Staubwolke außerhalb des Reaktors vor der Öffnung zum Eintritt der Solarstrahlung bildet. Dieser Effekt wird insbesondere verstärkt, da für eine homogene Wärmeverteilung in den Partikeln diese in Bewegung versetzt werden müssen, beispielsweise durch die Ausführung des Systems als Drehrohrofen. Durch die Staubwolke wird ein beträchtlicher Teil der Strahlung abgefangen, der eigentlich in den Reaktor eintreten sollen. Dadurch entstehen große Wirkungsgradverluste. Lösungsansätze für dieses Problem, bei denen eine transparente Scheibe in die Öffnung des Reaktors eingesetzt wird, bringen auch nur mäßigen Erfolg, da sich die Partikel an der Scheibe anlagern können, wodurch eine erhöhte Absorption der Solarstrahlung an der Scheibe erfolgt und somit die Temperatur der Scheibe in unzulässigem Maße ansteigen kann.
Aus EP 1 475 581 A1 ist ein System bekannt, bei dem die Partikel indirekt bestrahlt werden. Dabei ist vorgesehen, dass in einer Kammer, in die Solarstrahlung eingeleitet wird, eine Vielzahl von auf einer Kreisbahn angeordnete Rohre gedreht werden, wobei die zu erhitzenden Partikel durch die Rohre geleitet werden. Bei einem derartigen System besteht jedoch die Problematik, dass die Rohre mit relativ dünnem Durchmesser bei sehr vielen feinen Partikeln verstopfen können und darüber hinaus eine schlechte Durchmischung der Partikel erfolgt.
DE 195 22 083 A1 offenbart einen Reaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solarbeheizten Reaktor zu schaffen, bei dem Partikel in vorteilhafter Weise hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, ohne dass eine Verstopfungsgefahr entsteht, wobei darüber hinaus ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden soll.
Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Industrieofen mit einem derartigen Reaktor zu schaffen sowie eine Zementherstellungsanlage mit einem derartigen Industrieofen.
Ein erfindungsgemäßer solarbeheizter Reaktor ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Ein erfindungsgemäßer Industrieofen ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 11 und eine erfindungsgemäße Zementherstellungsanlage ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 14.
Der erfindungsgemäße solarbeheizte Reaktor weist ein einen Reaktionsraum bildendes Drehrohr auf, wobei ein partikelförmiger Reaktionsstoff durch den Reaktionsraum leitbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr zumindest teilweise von einem eine Kammer bildenden Gehäuse umgeben ist, wobei das Gehäuse mindestens eine Öffnung zum Eintritt von fokussierter Solarstrahlung aufweist und die in die Kammer eintretende Solarstrahlung in der Kammer zur Erwärmung des Drehrohres absorbierbar ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das sich drehende Drehrohr Partikel an der Innenwandung des Drehrohres anhaften und durch die Drehbewegung mitgeführt werden, bevor sie schwerkraftbedingt von der Wandung abfallen. Dadurch entsteht einerseits eine gute Durchmischung der Partikel und andererseits kann ein vorteilhafter Wärmeübergang von dem erwärmten Drehrohr auf die Partikel erfolgen. Die Drehung des Drehrohres unterstützt darüber hinaus den Transport des Reaktionsstoffes. Durch das Drehrohr, das den Reaktionsraum bildet, wird eine Verstopfung des Reaktionsraumes weitestgehend vermieden, selbst wenn der Reaktionsstoff sehr feinkörnig ist, beispielsweise pulverförmig. Durch die indirekte Erwärmung des Reaktionsstoffes wird vermieden, dass der Reaktionsstoff in die Kammer gelangen kann, so dass durch den Reaktionsstoff hervorgerufene Staubbildung in der Kammer, die zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führten, weitestgehend vermieden wird.
Da der Reaktionsraum darüber hinaus nicht zu der Atmosphäre geöffnet ist, können Verschmutzungen durch Fremdstoffe aus der Atmosphäre vermieden werden. Insbesondere bei der Branntkalkherstellung werden somit Verunreinigungen vermieden. Ferner kann durch den erfindungsgemäßen Reaktor, beispielsweise bei der Kalzinierung, erreicht werden, dass der abgeführte Stoffstrom nahezu ausschließlich aus dem reagierten Reaktionsstoff und CO₂ besteht, so dass in vorteilhafter Weise eine Abtrennung des CO₂ erfolgen kann und mit einem hohen Reinheitsgrad abgeführt werden kann. Die Drehung des Drehrohres ermöglicht ferner, dass eine möglichst homogene Erwärmung des Drehrohres und somit eine homogene Erwärmung des partikelförmigen Reaktionsstoffes erfolgt. Die Kammer, in die fokussierte Solarstrahlung durch mindestens eine Öffnung eintritt, wirkt als Strahlenfalle, so dass nahezu sämtliche in die Kammer eingetretene Solarstrahlung in dieser absorbiert wird. Dies kann durch eine Absorbierung der Strahlung an dem Drehrohr oder an den Kammerwandungen erfolgen. Bei einer Absorbierung der Solarstrahlung an den Kammerwandungen erfolgt ein konvektiver Wärmeübergang über die Luft der Kammer auf das Drehrohr sowie ein Wärmeübergang über Wärmestrahlung.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Kammer mehrere Öffnungen aufweist, wobei in jede Öffnung fokussierte Solarstrahlung eingeleitet wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Drehrohr das Gehäuse durchdringt. Mit anderen Worten: Nur ein Abschnitt des Drehrohres wird durch die Solarstrahlung in der Kammer beheizt. Dadurch wird ermöglicht, dass beispielsweise die Lagerung des Drehrohres sowie die Anschlüsse an das Drehrohr zur Zuführung und Abführung des Reaktionsstoffes außerhalb des sehr heißen Bereichs der Kammer angeordnet werden können und somit keiner allzu großen Wärmebelastung ausgesetzt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die die Kammer umgebenden Wände des Gehäuses zumindest teilweise auf der der Kammer zugewandten Seite eine Solarstrahlung absorbierende oder reflektierende Oberfläche aufweisen. Bei dem Vorsehen einer reflektierenden Oberfläche in der Kammer wird erreicht, dass die auftreffende Solarstrahlung weitestgehend reflektiert wird und in der Kammer verbleibt, um dann beispielsweise von dem Drehrohr absorbiert zu werden. Bei einer absorbierenden Oberfläche wird, wie zuvor beschrieben, die Kammerwandung erwärmt und es erfolgt ein Wärmeübergang über die in der Kammer befindliche Luft sowie über Wärmestrahlung auf das Drehrohr. Unter absorbierender Oberfläche wird im Rahmen der Erfindung eine Oberfläche verstanden, die den Hauptteil der Solarstrahlung absorbiert, beispielsweise mit einem Absorptionsfaktor von mindestens 70%. Unter reflektierender Oberfläche wird eine Oberfläche verstanden, die den Großteil der auftreffenden Solarstrahlung reflektiert und die beispielsweise einen Reflektionsfaktor von mindestens 70% besitzt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Drehrohr auf eine der Kammer zugewandten Mantelfläche eine Solarstrahlung absorbierende Oberfläche aufweist. Dadurch kann die in die Kammer eintretende Solarstrahlung beim Auftreffen auf das Drehrohr von diesem in vorteilhafter Weise absorbiert werden, so dass eine Erwärmung des Drehrohres erfolgt.
Grundsätzlich sollten die Oberflächen der Kammer und des Drehrohres aneinander angepasst sein. Wenn die Kammer eine reflektierende Oberfläche besitzt, sollte das Drehrohr möglichst eine gut absorbierende Oberfläche besitzen. Wenn die Kammer eine absorbierende Oberfläche besitzt, sollte vorgesehen sein, dass das Drehrohr eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, so dass ein konvektiver Wärmeübergang auf das Drehrohr in besonders vorteilhafter Weise erfolgen kann.
Die Wände der Kammer können beispielsweise aus einem Blech aus Hochtemperaturstahl oder einer Superlegierung bestehen. Außerhalb der Wände sollte eine Wärmeisolierung vorgesehen sein, um Wärmeverluste zu vermeiden. Die Wände der Kammer können auch aus einer Keramik bestehen. Das Drehrohr sollte möglichst aus einem guten wärmeleitfähigen Material bestehen. Beispielsweise kann ein Hochtemperaturstahl, eine Superlegierung, wie beispielsweise eine austenitische nickel-chrombasierte Legierung oder eine Keramik, beispielsweise eine Siliziumkarbidkeramik, verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Drehrohres sollte mindestens 1 Watt/(m·K), vorzugsweise mindestens 5 Watt/(m·K), besonders bevorzugt mindestens 15 Watt/(m·K), betragen. Wenn die Oberfläche des Drehrohres als absorbierende Oberfläche ausgebildet ist, sollte der Absorptionsfaktor mindestens 70% betragen.
Es kann vorgesehen sein, dass an der mindestens einen Öffnung der Kammer ein trichterförmiger Endkonzentrator angeordnet ist. Dadurch können die Größe der Öffnung und somit Wärmeverluste minimiert werden, da auf den Endkonzentrator auftreffende Strahlung in die Öffnung geleitet wird. Ferner kann mittels des Endkonzentrators das Bestrahlungsstärkeprofil in der Kammer reguliert werden, indem die Form und Größe des Endkonzentrators vergrößert wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine transparente Scheibe vor der Öffnung angeordnet ist. Diese kann beispielsweise aus Quarzglas bestehen. Der Transparenzgrad der Scheibe sollte mindestens 85% betragen. Durch die Scheibe werden Wärmeverluste durch die Öffnung der Kammer vermieden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Drehrohr ein außerhalb des Gehäuses angeordneten Antrieb aufweist. Dadurch wird der Antrieb außerhalb des Hochtemperaturbereichs angeordnet, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand für den Antrieb gering gehalten werden kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reaktors ist vorgesehen, dass das Drehrohr mit einer Neigung zu der Horizontalen angeordnet ist. Der Neigungswinkel kann beispielsweise 3° bis 8° betragen. Durch die Neigung wird erreicht, dass der Transport des Reaktionsstoffes durch den Reaktionsraum schwerkraftbedingt unterstützt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Drehrohr vorstehende Mitnehmer aufweist, die von einer dem Reaktionsraum begrenzenden Innenwandung in den Reaktionsraum ragen. Die Mitnehmer haben verschiedene Funktionen. Einerseits wird der Transport des Reaktionsstoffes durch den Reaktionsraum unterstützt bzw. reguliert. Ferner wird eine Durchmischung des Reaktionsstoffes durch den Mitnehmer erreicht, indem diese bei der Drehung des Drehrohres die Partikel in Umfangsrichtung mitführen und diese dann schwerkraftbedingt von dem Mitnehmer herunterfallen. Durch die Mitnehmer werden darüber hinaus Verstopfungen vermieden. Schließlich vergrößern die Mitnehmer die wirksame Oberfläche des Drehrohres zu dem Reaktionsraum, so dass ein verbesserter Wärmeübergang von dem Drehrohr in den Reaktionsraum und somit auf den Reaktionsstoff erfolgt.
Die Mitnehmer können beispielsweise eine Rippenform aufweisen. Die Rippen können sich in axialer Richtung des Drehrohres erstrecken. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass diese schräg zu der axialen Richtung des Drehrohres angeordnet sind und beispielsweise bei einer Drehung des Drehrohres die Partikel entgegen der Transportrichtung gedrückt werden. Dadurch kann der Verbleib der Partikel in dem Reaktionsraum reguliert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Rippen eine Schaufelform besitzen und in sich verdreht sind. Grundsätzlich können die Rippen auch eine L-Form oder J-Form aufweisen. Die Form kann dabei so ausgestaltet sein, dass das freie Ende der Rippen umgebogen ist, so dass Taschen gebildet werden, über die die Partikel bei der Drehung des Drehrohres in Umfangsrichtung besonders weit mitgetragen werden.
Die Mitnehmer können in mehreren in axialer Richtung des Drehrohres hintereinander angeordneten Kränzen angeordnet sein, wobei die Mitnehmer eines Kranzes zu dem Mitnehmern eines darauffolgenden Kranzes in Umfangsrichtung des Drehrohres versetzt angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Durchmischung erfolgen und es wird verhindert, dass die Partikel direkt durch den Reaktionsraum durchrutschen, ohne von Mitnehmern in Umfangsrichtung mitgetragen zu werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Kammer eine Abführleitung aufweist, über die die erwärmte Luft in der Kammer abgeführt werden kann, um diese sekundären Zwecken zuzuführen, wie beispielsweise einer Vorwärmung des Reaktionsstoffes oder zu einer thermischen Verwendung.
Die Erfindung betrifft ferner einen Industrieofen mit einer Solarstrahlungskonzentrationsanlage und mindestens einem erfindungsgemäßen Reaktor.
Die Solarstrahlungskonzentrationsanlage des Industrieofens kann mehrere Heliostate aufweisen, wobei jeweils eine vorgegebene Anzahl von Heliostaten auf eine Öffnung eines Reaktors fokussiert ist. Beispielsweise können in einem derartigen Industrieofen das Gehäuse eines Reaktors mehrere Öffnungen aufweisen, wobei jeweils eine vorgegebene Anzahl von Heliostaten den Fokuspunkt in einer der Öffnungen hat. Auch besteht die Möglichkeit, dass der erfindungsgemäße Industrieofen mehrere Reaktoren besitzt, wobei eine vorgegebene Anzahl von Heliostaten jeweils auf die Öffnung eines der Reaktoren fokussiert ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Reaktor an einem Turm angeordnet ist.
Dadurch wird erreicht, dass der Reaktor in vorteilhafter Weise über Heliostate bestrahlt werden kann, wobei eine gegenseitige Verschattung der Heliostate weitestgehend vermieden wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Zementherstellungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Industrieofen, wobei über eine Zuführvorrichtung Kalksteinpartikel und Tonpartikel oder Kalksteinpartikel, Tonpartikel und Eisenerz jeweils dem Reaktionsraum eines Reaktors zuführbar sind.
Bei einer derartigen Zementherstellungsanlage kann vorgesehen sein, dass an dem Reaktor ein Gasabscheider angeschlossen ist, beispielsweise ein Zyklonabscheider. Die Gasableitung führt zu dem Gasabscheider in dem Partikelreste, die von dem Gas mitgeführt werden, abgeschieden werden. Das bei der Reaktion erzeugte CO₂ kann über eine Gasableitung, die beispielsweise an einem oberen Ende des Reaktionsraums angeschlossen ist, in vorteilhafter Weise abgeführt werden. Bei der erfindungsgemäßen Zementherstellungsanlage ist durch die indirekte Beheizung eine derartige Gasabscheidung besonders vorteilhaft, da nahezu keine Fremdgase in dem Reaktionsraum vorhanden sind.
Bei dem zweiten erfindungsgemäßen Reaktor kann das Drehrohr beispielsweise einen Kern, beispielsweise ein Rohr aufweisen, wobei der Kern einen zu dem Durchmesser des Drehrohres kleineren Durchmesser aufweist. Das Drehrohr umgibt somit den Kern zumindest teilweise, so dass der Reaktionsraum zwischen einer Außenfläche des Kerns und der Innenwandung des Drehrohres gebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das zu erwärmende Volumen in dem Drehrohr verringert ist und darüber hinaus die Partikel sehr nah an der beheizten Wandung des Drehrohres transportiert werden, wodurch ein vorteilhafter Wärmeübergang erreicht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Kern um eine Mittelachse des Kerns gedreht wird, beispielsweise in entgegengesetzter Richtung zu der Drehrichtung des Drehrohres. Auch ist es möglich, dass sich der Kern in die gleiche Richtung zu dem Drehrohr dreht, wobei dann vorzugsweise ein Geschwindigkeitsunterschied in der Drehgeschwindigkeit vorgesehen sein sollte, um eine vorteilhafte Durchmischung zu erreichen.
Der Kern kann zweite Mitnehmer aufweisen, die von einer den Reaktionsraum begrenzenden Wandung des Kernes in den Reaktionsraum ragen.
Die zweiten Mitnehmer können in vergleichbarer Weise ausgebildet sein wie die Mitnehmer des Drehrohres und somit beispielsweise eine Rippen- bzw. Schaufelform aufweisen oder eine J- oder L-Form. Auch können die zweiten Mitnehmer in Kränzen angeordnet sein, wobei die zweiten Mitnehmer eines Kranzes zu den zweiten Mitnehmern eines darauffolgenden Kranzes in Umfangsrichtung versetzt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Drehrohr und der Kern konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Kern zusätzlich beheizt ist. Dies kann beispielsweise über die aus der Kammer abgeführte Luft erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Kern als zweites Rohr ausgebildet ist und fokussierte Solarstrahlung zur Erwärmung des Kernes in das Innere des zweiten Rohres eingeleitet wird.
Im Folgenden wird unter die Bezugnahme der nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Industrieofen,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen solarbeheizten Reaktors und
3 eine schematische Schnittdarstellung durch das Drehrohr des solarbeheizten Reaktors der 2.

In 1 ist ein Industrieofen 100 schematisch dargestellt. Sonnenlicht wird über die Heliostate 110 eines Heliostatfelds 120 auf einen erfindungsgemäßen Reaktor 1 reflektiert. Durch den Reaktor 1 wird ein partikelförmiger Reaktionsstoff geleitet und in dem Reaktor erhitzt. Der Reaktor 1 ist an einem Turm 105 angeordnet. Der Reaktionsstoff wird über ein Leitungssystem 160 dem Reaktor 1 zugeführt bzw. nach der Erhitzung wieder abgeführt. Der dargestellte Industrieofen 100 kann beispielsweise Teil einer Zementherstellungsanlage sein. Beispielsweise kann in dem Reaktor Kalzinierung des Rohmehls bei der Zementherstellung erfolgen. Nach dem Durchlaufen des Reaktors und der Kalzinierung kann das Zwischenprodukt einem Sinterungsprozess zur Zementherstellung zugeführt werden. Mittels eines Gasabscheiders, beispielsweise eines Zyklonabscheiders, kann das während der Kalzinierung entstehende CO₂ Gas von dem Zwischenprodukt abgetrennt werden.
In 2 ist der erfindungsgemäße Reaktor 1 in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. Der solarbeheizte Reaktor 1 weist ein Drehrohr 3 auf, das einen Reaktionsraum 5 bildet. Durch eine Zuführung 7 kann ein partikelförmiger Reaktionsstoff in den Reaktionsraum eingeleitet werden. Das Drehrohr 3 ist gegenüber der Horizontalen um einen Neigungswinkel α geneigt. Der Neigungswinkel α beträgt vorzugsweise 3° bis 8°. Die in den Reaktionsraum 5 eingeleiteten Partikel werden durch die Drehung des Drehrohrs 3 und die Neigung des Drehrohres zu einer Abführung 9 transportiert. Die Zuführung 7 und die Abführung 9 können beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Leitungssystem 160 verbunden sein. Im Bereich der Zuführung 7 kann ein nicht dargestellter Gasauslass angeordnet sein, über den bei der Reaktion entstehendes Gas aus dem Reaktionsraum 5 abführbar ist.
Das Drehrohr 3 ist durch ein Gehäuse 11 geführt, das eine Kammer 13 aufweist. Die Kammer 13 weist eine Öffnung 15 auf. Die Öffnung 15 ist von einem trichterförmigen Endkollektor 17 umgeben. Fokussierte Solarstrahlung, die in 2 schematisch durch Pfeile angedeutet ist, wird durch die Öffnung 15 in die Kammer 13 eingeleitet. Die die Kammer 13 umgebenden Wände des Gehäuses 11 weisen auf der der Kammer 13 zugewandten Seite eine reflektierende Oberfläche 11a auf. Die eintretende Solarstrahlung wird von diesen reflektiert, wobei die Kammer 13 als Strahlenfalle wirkt.
Das Drehrohr 3 weist auf der Kammer 13 zugewandten Mantelfläche 3a eine Solarstrahlung absorbierende Oberfläche auf. Die in die Kammer 13 eingeleitete konzentrierte Solarstrahlung sowie die von den reflektierenden Oberflächen 11a des Gehäuses 11 reflektierte Strahlung trifft auf die Mantelfläche 3a des Drehrohres und wird dort zum großen Teil absorbiert. Dadurch wird das Drehrohr 3 erwärmt. Durch die Drehbewegung um seine Mittelachse 3b wird für eine homogene Temperatur des Drehrohres 3 gesorgt. Die in Wärmeenergie umgewandelte Strahlungsenergie wird zu der Innenwandung 3c des Drehrohres 3 weitergeleitet, wobei ein Wärmeübergang in den Reaktionsraum 5 erfolgt. Dadurch wird der durch den Reaktionsraum 5 transportierte Reaktionsstoff erwärmt.
Durch einen außerhalb des Gehäuses 11 angeordneten Antrieb 19 wird das Drehrohr 3 rotatorisch angetrieben.
Das Gehäuse 11 kann auf der der Kammer 13 zugewandten Seite aus einem Blech aus Hochtemperaturstahl oder einer Superlegierung bestehen. Auf der Außenseite des Bleches ist eine nicht dargestellte Wärmeisolierung angeordnet.
Die Form des Gehäuses 11 kann in Teilbereichen an die Form des Drehrohres 3angepasst sein, so dass Teile der Wände des Gehäuses eine an die Krümmung des Drehrohres 3 angepasste Krümmung aufweisen. Dadurch kann das Volumen der Kammer 13 gering gehalten werden, so dass nur ein geringes Luftvolumen in der Kammer 13 vorliegt, das Wärme aufnehmen kann. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 11 einen nicht dargestellten Ausgang aufweist, durch den erwärmte Luft abgeführt und sekundär thermisch genutzt werden kann.
Das Drehrohr 3 weist auf seiner Innenseite vorstehende Mitnehmer 21 auf, die von der den Reaktionsraum 5 begrenzenden Innenwandung 3c in den Reaktionsraum 5 ragen. Die Mitnehmer 21 können eine Rippenform aufweisen und sich in axialer Richtung des Drehrohres 3 erstrecken. Über die Mitnehmer 21 wird erreicht, dass die Partikel des Reaktionsstoffes in vorteilhafter Weise vermengt werden. Die Mitnehmer 21 sind in vorteilhafter Weise aus 3, einer Schnittdarstellung durch das Drehrohr 3, erkennbar.
Die Mitnehmer 21 sind in mehreren in axialer Richtung des Drehrohres 3 hintereinander angeordneten Kränzen angeordnet. Die Mitnehmer 21 eines Kranzes sind zu den Mitnehmern 21 eines darauffolgenden Kranzes in Umfangsrichtung des Drehrohres 3 versetzt, wie aus 2 und 3 erkennbar ist.
Dadurch wird erreicht, dass die Mitnehmer 21 den Reaktionsstoff gut durchmischen, indem die Mitnehmer 21 den Reaktionsstoff durch die Drehbewegung des Drehrohres 3 in Umfangsrichtung mitführen, bevor der Reaktionsstoff dann schwerkraftbedingt von den Mitnehmern 21 herunterfällt.
Durch die versetzte Anordnung der Mitnehmer 21 wird erreicht, dass der Reaktionsstoff nicht durch das Drehrohr 3 rutschen kann, ohne von einem Mitnehmer in Umfangsrichtung zur Durchmischung mitgeführt zu werden. Ferner kann durch die Mitnehmer die für die Wärmeübertragung wirksame Fläche des Drehrohres 3 vergrößert werden.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Drehrohr 3 einen Kern auf, so dass der Reaktionsraum 5 spaltförmig ausgebildet ist. Der Kern kann statisch oder ebenfalls rotatorisch angetrieben sein. Die Drehbewegung des Kerns kann dabei gleich der Drehbewegung des Drehrohres 3 oder entgegen dieser sein. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Drehrohr 3 und dem Kern vorliegt, um eine vorteilhafte Durchmischung des Reaktionsstoffes zu erreichen.

Claims

Solarbeheizter Reaktor (1) mit einem einen Reaktionsraum (5) bildenden Drehrohr (3), wobei ein partikelförmiger Reaktionsstoff durch den Reaktionsraum leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) zumindest teilweise von einem eine Kammer (13) bildenden Gehäuse (11) umgeben ist, wobei das Gehäuse mindestens eine Öffnung (15) zum Eintritt von fokussierter Solarstrahlung aufweist und die in die Kammer (13) eintretende Solarstrahlung in der Kammer (13) zur Erwärmung des Drehrohres (3) absorbierbar ist.
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) das Gehäuse (11) durchdringt.
Reaktor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die die Kammer (13) umgebenden Wände des Gehäuses (3) zumindest teilweise auf der der Kammer (13) zugewandten Seite eine Solarstrahlung absorbierende oder reflektierende Oberfläche (11a) aufweisen.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) auf einer der Kammer (13) zugewandten Mantelfläche (3a) eine Solarstrahlung absorbierende Oberfläche aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Öffnung (15) der Kammer (13) ein trichterförmiger Endkonzentrator (17) angeordnet ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) einen außerhalb des Gehäuses (11) angeordneten Antrieb (19) aufweist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) mit einer Neigung zu der Horizontalen angeordnet ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (3) vorstehende Mitnehmer (21) aufweist, die von einer den Reaktionsraum (5) begrenzenden Innenwandung (3c) in den Reaktionsraum (5) ragen.
Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmer (21) eine Rippenform aufweisen.
Reaktor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmer (21) in mehreren in axialer Richtung des Drehrohres (3) hintereinander angeordneten Kränzen angeordnet sind, wobei die Mitnehmer (21) eines Kranzes zu den Mitnehmern (21) eines darauffolgenden Kranzes in Umfangsrichtung des Drehrohres (3) versetzt sind.
Industrieofen (100) mit einer Solarstrahlungskonzentrationsanlage und mindestens einem Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Industrieofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungskonzentrationsanlage mehrere Heliostate (110) aufweist, wobei jeweils eine vorgegebene Anzahl von Heliostaten (110) auf eine Öffnung eines Reaktors (1) fokussiert ist.
Industrieofen nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reaktor (1) an einem Turm (105) angeordnet ist.
Zementherstellungsanlage mit einem Industrieofen nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei über eine Zuführvorrichtung Kalksteinpartikel und Tonpartikel oder Kalksteinpartikel, Tonpartikel und Eisenerz jeweils in den Reaktionsraum eines Reaktors zuführbar sind.