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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum thermischen Behandeln von körnigen
Feststoffen in einem Wirbelbett, welches sich in einem Wirbelschicht-Reaktor
befindet, bei dem Mikrowellenstrahlung durch mindestens einen Hohlleiter
in den Wirbelschichtreaktor eingespeist wird, sowie eine entsprechende
Anlage.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Mikrowellen-Quelle
an Wirbelschicht-Reaktoren
anzukoppeln. Dazu zählen
bspw. ein offener Hohlleiter, eine Schlitzantenne, eine Koppelschleife,
eine Blende, eine mit Gas oder einem anderen Dielektrikum gefüllte Koaxialantenne,
oder ein mit einem mikrowellentransparenten Stoff (Fenster) abgeschlossener
Hohlleiter. Die Art der Auskopplung der Mikrowellen aus der Einspeiseleitung
dabei kann auf unterschiedlichem Wege erfolgen.
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Mikrowellenenergie kann in Hohlleitern
theoretisch verlustfrei transportiert werden. Der Hohlleiterquerschnitt
ergibt sich als logische Weiterentwicklung eines elektrischen Schwingkreises
aus Spule und Kondensator zu sehr hohen Frequenzen hin. Ein solcher
Schwingkreis kann theoretisch ebenfalls verlustfrei betrieben werden.
Bei einer starken Erhöhung
der Resonanzfrequenz wird aus der Spule eines elektrischen Schwingkreises
eine halbe Wicklung, die der einen Seite des Hohlleiterquerschnittes
entspricht. Der Kondensator wird zu einem Plattenkondensator, der
ebenfalls zwei Seiten des Hohlleiterquerschnittes entspricht. Im
Realfall verliert ein Schwingkreis Energie durch den ohmschen Widerstand
in Spule und Kondensator. Der Hohlleiter verliert Energie durch
den ohmschen Widerstand in der Hohlleiterwand.
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Aus einem elektrischen Schwingkreis
kann man Energie abzweigen, indem man einen zweiten Schwingkreis
ankoppelt, der dem ersten Energie entzieht. Analog kann durch Anflanschen
eines zweiten Hohlleiters an einen ersten Hohlleiter aus diesem
Energie ausgekoppelt werden (Hohlleiterübergang). Wird der erste Hohlleiter
hinter der Einkopplungsstelle durch einen Kurzschlussschieber abgesperrt,
kann sogar die gesamte Energie auf den zweiten Hohlleiter umgeleitet
werden.
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Die Mikrowellenenergie in einem Hohlleiter
wird durch die elektrisch leitfähigen
Wände eingeschlossen.
In den Wänden
fließen
Wandströme
und im Hohlleiterquerschnitt existiert ein elektromagnetisches Feld, dessen
Feldstärke
mehrere 10 KV pro Meter betragen kann. Wird nun ein elektrisch leitfähiger Antennenstab in
den Hohlleiter gesteckt, kann dieser die Potentialdifferenz des
elektromagnetischen Feldes direkt ableiten und bei geeigneter Form
an seinem Ende auch wieder abstrahlen (Antennen- oder Stiftauskopplung).
Ein Antennenstab, der durch eine Öffnung in den Hohlleiter eintritt
und an einer anderen Stelle die Hohlleiterwand berührt, kann
weiterhin Wandströme
direkt aufnehmen und ebenfalls an seinem Ende abstrahlen. Wird der Hohlleiter
hinter der Antenneneinkopplung durch einen Kurzschlussschieber abgesperrt,
so kann auch in diesem Fall die gesamte Energie aus dem Hohlleiter
in die Antenne umgeleitet werden.
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Wenn die Feldlinien der Wandströme in Hohlleitern
durch Schlitze unterbrochen werden, so tritt durch diese Schlitze
Mikrowellenenergie aus dem Hohlleiter aus (Schlitzauskopplung),
da die Energie nicht in der Wand weiterfließen kann. Die Wandströme in einem
Rechteckhohlleiter fließen
auf der Mitte der breiten Hohlleiterseite parallel zur Mittellinie
und auf der Mitte der schmalen Hohlleiterseite quer zur Mittellinie.
Querschlitze in der Breitseite und Längsschlitze in der schmalen
Seite koppeln daher Mikrowellenstrahlung aus Hohlleitern aus.
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Mikrowellenstrahlung kann in elektrisch
leitfähigen
Hohlprofilen unterschiedlichster Geometrie geleitet werden, solange
gewisse Mindestabmessungen nicht unterschritten werden. Die genaue
Berechnung der Resonanzbedingungen ist mathematisch recht aufwendig,
da letztlich die Maxwell-Gleichungen (instationäre, nichtlineare Differenzialgleichungen)
mit den entsprechenden Randbedingungen gelöst werden müssen. Im Falle eines rechteckigen
oder runden Hohlleiterquerschnittes lassen sich die Gleichungen
aber soweit vereinfachen, dass sie analytisch lösbar sind und daher Probleme
bei der Auslegung von Hohlleitern anschaulicher werden und einfacher
lösbar
sind. Deshalb, und aufgrund der relativ einfachen Herstellbarkeit
werden industriell nur Rechteckhohlleiter und Rundhohlleiter eingesetzt,
die auch erfindungsgemäß bevorzugt
eingesetzt werden. Die hauptsächlich
verwendeten Rechteckhohlleiter sind in der angelsächsischen
Literatur genormt. Diese Normmaße
wurden in Deutschland übernommen,
weshalb teilweise ungerade Abmessungen auftreten. In der Regel sind
alle industriellen Mikrowellenquellen der Frequenz 2,45 GHz mit
einem Rechteckhohlleiter des Typs R26 ausgestattet, der einen Querschnitt
von 43 × 86
mm aufweist. In Hohlleitern gibt es unterschiedliche Schwingungszustände: Bei
dem transversalen elektrischen Mode (TE-Mode) liegt die elektrische
Feldkomponente quer zur Hohlleiterrichtung und die magnetische Komponente
in Hohlleiterrichtung. Bei dem transversalen magnetischen Mode (TM-Mode) liegt die magnetische
Feldkomponente quer zur Hohlleiterrichtung und die elektrische Komponente
in Hohlleiterrichtung. Beide Schwingungszustände können in allen Raumrichtungen
mit unterschiedlichen Modenzahlen auftreten (z.B. TE-1-1, TM-2-0).
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Ein Verfahren zum thermischen Behandeln
von körnigen
Feststoffen ist aus der
US 5,972,302 bekannt,
wobei man sulfidisches Erz einer durch Mikrowellen unterstützten Oxidation
unterwirft. Hierbei geht es vor allem um die Röstung von Pyrit im Wirbelbett,
wobei die in das Wirbelbett geleiteten Mikrowellen die Bil dung von
Hämatit
und Elementarschwefel begünstigen
und die SO
2-Bildung unterdrücken. Man
arbeitet hierbei in einem stationären Wirbelbett, welches von
der direkt darüber
befindlichen Mikrowellen-Quelle angestrahlt wird. Dabei kommt die
Mikrowellen-Quelle oder aber die Eintrittstelle der Mikrowellen
zwangsläufig
mit den aus dem Wirbelbett aufsteigenden Gasen, Dämpfen und
Stäuben
in Berührung.
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In der
EP 0 403 820 B1 wird ein Verfahren zum Trocknen
von Stoffen in einer Wirbelschicht beschrieben, bei dem die Mikrowellen-Quelle
außerhalb
der Wirbelschicht angeordnet ist und die Mikrowellen mittels Hohlleiter
in die Wirbelschicht eingeleitet werden. Dabei kommt es häufig zu
Reflexionen von Mikrowellenstrahlung an den zu wärmenden Feststoffen, wodurch
der Wirkungsgrad verringert und die Mikrowellen-Quelle möglicherweise
beschädigt
wird. Außerdem
kommt es bei offenen Mikrowellen-Hohlleitern auch zu Staubablagerungen
in dem Hohlleiter, die einen Teil der Mikrowellenstrahlung absorbieren
und die Mikrowellen-Quelle beschädigen
können.
Dies kann durch mikrowellentransparente Fenster vermieden werden,
die den Hohlleiter zwischen dem Reaktor und der Mikrowellenquelle
abschließen.
Allerdings führen
in diesem Fall Ablagerungen auf dem Fenster zu einer Beeinträchtigung
der Mikrowellenstrahlung.
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Beschreibung
der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zu Grunde, die Einspeisung von Mikrowellen in eine stationäre oder
zirkulierende Wirbelschicht effizienter zu gestalten und die Mikrowellen-Quelle
besser zu schützen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass
der Einstrahlwinkel der Mikrowellen um einen Winkel von 10° bis 50°, besonders bevorzugt
jedoch zwi schen 10° und
20°, zu
der Hauptachse des Wirbelschichtreaktors geneigt ist. Erfindungsgemäß kann der
Einstrahlwinkel α auch
variabel einstellbar sein.
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Elektromagnetische Wellen sind Querwellen,
haben also eine Polarisationsrichtung, wobei die Richtung der elektrischen
Feldstärke
parallel zum Senderdipol, die der magnetischen Erregung senkrecht
dazu ist. Um möglichst
viel Energie der Mikrowellen in die zu erregenden Stoffe einzuleiten,
muss der Reflexionsgrad möglichst
gering gehalten werden. Der Reflexionsgrad ist bekannterweise vom
Einfallswinkel, von der Brechzahl des zu erregenden Stoffes und
von der Polarisationsrichtung abhängig. Da die zu erregenden
Stoffe in der Wirbelschicht Erze, Recycling-Stoffe oder Abfallstoffe
sind, die in der Wirbelschicht entweder uneben auf einem Rost liegen
oder mit eingeströmtem
Gas im Reaktorraum zirkulieren, gibt es keine eindeutige Fläche, auf
die die Mikrowellenstahlen auftreffen. Bei der Einleitung von Mikrowellen
aus mehreren Mikrowellen-Quellen
bilden die reflektierten Mikrowellen im Reaktorraum stehende Wellen
mehrfacher Moden. Diese Moden entstehen auch bei Mikrowellen aus
nur einer Mikrowellen-Quelle, da die Mikrowellen an der Wand des
Reaktors in verschiedene Richtungen reflektiert werden. Diese Mikrowellen
verstärken
einander durch Vergrößerung der
Amplitude in einigen Bereichen, und heben sich in anderen Bereichen
wieder auf. Damit wird eine Vielzahl von stehenden Wellen erzeugt. Überraschenderweise
hat es sich gezeigt, dass insbesondere bei einem Einstrahlwinkel
der Mikrowellen von 10 bis 20 Grad zur Hauptachse des Reaktors die
geringste Reflexion und damit der größte Wirkungsgrad zu erzielen
ist. Unter der Hauptachse des Reaktors ist dabei insbesondere die
vertikale Symmetrieachse zu verstehen. Damit ist gleichzeitig auch
die Reflexion auf die Mikrowellen-Quelle am geringsten. Außerdem ist
die Mikrowellen-Quelle zum Schutz außerhalb der stationären oder
zirkulierenden Wirbelschicht angeordnet, wobei die Mikrowellenstrahlung
durch mindestens einen Hohlleiter in den Wirbelschicht-Reaktor eingespeist
wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird zusätzlich
ein Gasstrom durch den Hohlleiter in den Wirbelschicht-Reaktor eingespeist,
der auch zur Mikrowelleneinstrahlung verwendet wird. Die Einkopplung
der Mikrowellenstrahlung und gleichzeitig des Sekundärstromes
unter einem Winkel von 10° bis
insbesondere 20° in
den Wirbelschicht-Reaktor hat sich als besonders günstig erwiesen,
da in diesem Winkelbereich zum einen die rücklaufende Mikrowellenleistung
minimal ist und zum anderen keine Staubablagerungen im Hohlleiter
beobachtet werden. Der Wirkungsgrad der Beheizung und die Betriebssicherheit
sind in diesem Bereich damit am höchsten. Abhängig von den Eigenschaften
des fluidisierten Wirbelbettes können
jedoch auch Einstrahlwinkel zwischen 20° und 50° apparativ sinnvoll sein. Durch
den zusätzlichen
kontinuierlichen Gasstrom aus dem Hohlleiter wird zuverlässig vermieden,
dass Staub oder Prozessgasse in den Hohlleiter eintreten, sich bis
zur Mikrowellen-Quelle ausbreiten und diese beschädigen oder
Feststoffablagerungen im Hohlleiter ausbilden. Daher kann erfindungsgemäß auf mikrowellentransparente
Fester in dem Hohlleiter zur Abschirmung der Mikrowellen-Quelle
verzichtet werden, wie sie im Stand der Technik üblich sind. Bei diesen besteht
nämlich
das Problem, dass Ablagerungen von Staub oder anderen Feststoffen
auf dem Fenster die Mikrowellenstrahlung beeinträchtigen und teilweise absorbieren
können.
Daher sind die erfindungsgemäß offenen
Hohlleiter von besonderem Vorteil.
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Eine Verbesserung des Verfahrens
wird erreicht, wenn der durch den Hohlleiter eingespeiste Gasstrom
Gase enthält,
die mit dem Wirbelbett reagieren und im Falle eines zirkulierenden
Wirbelschicht-Reaktors sogar für
eine zusätzliche
Fluidisierung des Wirbelbettes genutzt werden können. Es wird also ein Teil
des Gases, das bisher durch andere Zuführleitungen in die Wirbelschicht
eingeleitet wurde, zur Entstaubung des Hohlleiters verwendet. Dadurch
kann auch auf die Bereitstellung von neutralem Spülgas verzichtet
werden.
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Eine weitere Verbesserung ergibt
sich, wenn erfindungsgemäß der durch
den Hohlleiter eingespeiste Gasstrom eine Temperaturdifferenz zu
den in dem Wirbelschicht-Reaktor befindlichen Gasen und Feststoffen hat.
Damit kann gezielt, je nach gewünschtem
Effekt, zusätzliche
Wärme in
das Wirbelbett eingeleitet oder das Wirbelbett gekühlt werden.
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Die thermische Behandlung kann nicht
nur in einem stationären,
sondern auch in einem zirkulierenden Wirbelbett (zirkulierende Wirbelschicht)
erfolgen, wobei die Feststoffe kontinuierlich zwischen einem Wirbelschicht-Reaktor,
einem mit dem oberen Bereich des Wirbelschicht-Reaktors verbundenen
Feststoff-Abscheider
und einer den Feststoff-Abscheider mit dem unteren Bereich des Wirbelschicht-Reaktors
verbindenden Rückführleitung
umlaufen. Üblicherweise
beträgt
die pro Stunde umlaufende Feststoffmenge mindestens das Dreifache
der in dem Wirbelschicht-Reaktor befindlichen Feststoffmenge.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich
dadurch, dass durch den kontinuierlichen Gasstrom durch den Hohlleiter
Feststoff-Ablagerungen im Hohlleiter vermieden werden. Diese Feststoftablagerungen
verändern
in unerwünschter
Weise den Querschnitt des Hohlleiters und nehmen einen Teil der
Mikrowellen-Energie auf, die für die
Feststoffe im Wirbelbett ausgelegt war. Durch die Energieaufnahme
im Hohlleiter erwärmt
sich dieser sehr stark, wodurch das Material einem starken thermischen
Verschleiß unterliegt.
Außerdem
bewirken Feststoff-Ablagerungen
im Hohlleiter unerwünschte
Rückkopplungen
auf die Mikrowellen-Quelle.
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Bei einer zirkulierenden Wirbelschicht
ergibt sich eine Verbesserung des bisherigen Verfahrens, wenn die
Mikrowellen-Quelle mit der Sekundärbegasung der Ringleitung kombiniert
wird. Dabei wird die Mikrowellenstrahlung im bevorzugten Einstrahlwinkel
in den Reaktor geleitet und gleichzeitig der Hohlleiter für die Sekundärbegasung
verwendet.
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Als Mikrowellen-Quellen, d.h. als
Quellen für
die elektromagnetischen Wellen, eignen sich z.B. ein Magnetron oder
Klystron. Ferner können
Hochfrequenzgeneratoren mit entsprechenden Spulen oder Leistungstransistoren
eingesetzt werden. Die Frequenzen der von der Mikrowellen-Quelle
ausgehenden elektromagnetischen Wellen liegen üblicherweise im Bereich von
300 MHz bis 30 GHz. Vorzugsweise werden die ISM-Frequenzen 435 MHz,
915 MHz und 2,45 GHz verwendet. Die optimalen Frequenzen werden
zweckmäßigerweise
für jeden
Anwendungsfall im Probebetrieb ermittelt.
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Der Hohlleiter besteht erfindungsgemäß ganz oder
weitgehend aus elektrisch leitendem Material, z.B. Kupfer. Die Länge des
Hohlleiters liegt im Bereich von 0,1 bis 10 m. Der Hohlleiter kann
gerade oder gebogen ausgeführt
sein. Bevorzugt werden hierfür
Profile mit rundem oder rechteckigem Querschnitt verwendet, wobei die
Abmessungen insbesondere an die verwendete Frequenz angepasst sind.
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Die Temperaturen im Wirbelbett liegen
bspw. im Bereich von 150 bis 1200 °C, und es kann sich empfehlen,
zusätzliche
Wärme,
z.B. durch indirekten Wärmeaustausch,
in das Wirbelbett einzubringen. Für die Temperaturmessung im
Wirbelbett eignen sich isolierte Messfühler, Strahlungspyrometer oder
faseroptische Sensoren.
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Die Gasgeschwindigkeiten in dem Hohlleiter
werden erfindungsgemäß so eingestellt,
dass die Partikel-Froude-Zahlen im Hohlleiter im Bereich zwischen
0,1 und 100 liegen. Dabei sind die Partikel-Froude-Zahlen wie folgt
definiert:
mit
u = effektive Geschwindigkeit
der Gasströmung
in m/s
ρ
s = Dichte der in den Hohlleiter eindringenden
Feststoffpartikel bzw. Prozessgase in kg/m
3 ρ
f =
effektive Dichte des Spülgases
im Hohlleiter in kg/m
3 d
p =
mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel
des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m g =
Gravitationskonstante in m/s
2.
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Um das Eindringen von Feststoffpartikeln
oder entstehenden Prozessgasen aus dem Reaktor in den Hohlleiter
zu verhindern, strömt
als Spülgas
dienendes Gas durch den Hohlleiter. Feststoffpartikel können bspw.
in dem Reaktor vorhandene Staubpartikel oder auch die behandelten
Feststoffe sein. Prozessgase entstehen bei den im Reaktor ablaufenden
Prozessen. Durch die Vorgabe bestimmter Partikel-Froude-Zahlen wird
erfindungsgemäß bei der
Einstellung der Gasgeschwindigkeiten das Dichteverhältnis der
eindringenden Feststoffpartikel bzw. Prozessgase zu dem Spülgas berücksichtigt,
das neben der Geschwindigkeit des Spülgastroms entscheidend dafür ist, ob
der Spülgastrom
die eindringenden Teilchen mitreißen kann oder nicht. Dadurch
kann verhindert werden, dass Stoffe in den Hohlleiter eindringen.
Für die
meisten Anwendungsfälle wird
eine Partikel-Froude-Zahl zwischen 2 und 30 bevorzugt.
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Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu behandelnden körnigen
Feststoffen kann es sich z.B. um Erze und insbesondere sulfidische
Erze handeln, die z.B. für
die Gewinnung von Gold, Kupfer oder Zink vorbereitet werden. Ferner
kann man Recycling-Stoffe, z.B. zinkhaltiges Wälzoxid oder Abfallstoffe, der thermischen
Behandlung im Wirbelbett unterwerten. Wenn man sulfidische Erze,
wie z.B. goldhaltigen Arsenopyrit, dem Verfahren unterzieht, wird
das Sulfid zu Oxid umgewandelt und dabei bei geeigneter Verfahrensführung bevorzugt
elementarer Schwefel und nur geringe Mengen SO2 gebildet.
Das erfindungs gemäße Verfahren
lockert die Struktur des Erzes in günstiger Weise auf, so dass
die anschließende
Goldlaugung zu verbesserten Erträgen
führt.
Das durch die thermische Behandlung bevorzugt gebildete Arsen-Eisen-Sulfid
(FeAsS) ist problemlos deponierbar. Es ist zweckmäßig, dass
die zu behandelnden Feststoffe mindestens teilweise die verwendete
elektromagnetische Strahlung absorbieren und damit das Bett erwärmen. Erstaunlicherweise
hat sich gezeigt, dass insbesondere bei hohen Feldstärken behandeltes
Material leichter gelaugt werden kann. Häufig lassen sich auch andere
verfahrenstechnische Vorteile realisieren, wie z.B. verkürzte Verweilzeiten
oder Absenkung erforderlicher Prozesstemperaturen.
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Die Feststoffe können erfindungsgemäß auch durch
mindestens zwei aufeinandertolgende Wirbelschicht-Reaktoren geführt werden,
bspw. zwei mit Wehren oder Trennwänden voneinander abgetrennte
Wirbelkammern, in denen sich die stationären Wirbelschichten befinden
und in die aus Hohlleitern kommende elektromagnetische Wellen eingespeist
werden. Dabei kann sich der Feststoff als Wanderbett aus einem Wirbelschicht-Reaktor
in den benachbarten Wirbelschicht-Reaktor bewegen. Eine Variante
besteht darin, dass zwischen zwei Wirbelkammern der beiden benachbarten
Wirbelschicht-Reaktoren eine mit den Wirbelkammern verbundene Zwischenkammer
angeordnet ist, die ein Wirbelbett aus körnigen Feststoffen enthält, wobei der
Zwischenkammer kein Hohlleiter zugeordnet ist. Eine andere Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, dass zur Trennung von beiden Wirbelkammern eine Trennwand
mit der Öffnung
im Bodenbereich verwendet wird.
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Besonders vorteilhaft können die
Betriebsbedingungen, insbesondere Temperatur, Fluidisierungsgas-Zusammensetzung,
Energieeintrag und/oder Fluidisierungsgeschwindigkeit, für jeden
von mehreren Wirbelschicht-Reaktoren unterschiedlich vorgebbar sein.
Bei einem Wirbelbett oder mehreren aufeinanderfolgenden Wirbelbetten
können
die Feststoffe so bspw. zunächst
durch eine Vor wärmkammer
geleitet werden, die dem ersten Wirbelbett vorgeschaltet ist. Ferner
kann dem letzten der thermischen Behandlung dienenden Wirbelbett
eine Kühlkammer
nachgeschaltet sein, um das Feststoffprodukt abzukühlen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung
eine Anlage insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen
Verfahrens zur thermischen Behandlung von körnigen Feststoffen in einem
Wirbelbett. Eine erfindungsgemäße Anlage
weist einen Wirbelschicht-Reaktor, eine außerhalb des Wirbelschicht-Reaktors
angeordnete Mikrowellen-Quelle und einen Hohlleiter zum Einspeisen
der Mikrowellenstrahlung in den Wirbelschicht-Reaktor auf, wobei
der Hohlleiter um einen Winkel von 10° bis 50°, insbesondere 10° bis 20°, zu der
Hauptachse des Wirbelschicht-Reaktors geneigt ist.
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Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung von Anwendungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei gehören alle beschriebenen
und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
zum Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 die
thermische Behandlung körniger
Feststoffe in einem stationären
Wirbelbett in schematischer Darstellung;
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2 eine
Verfahrensvariante mit einer zirkulierenden Wirbelschicht und
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3, 4, 5 Verfahrensvarianten mit mehreren stationären Wirbelbetten.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In 1 ist
eine Anlage zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum thermischen Behandeln von körnigen
Feststoffen in einer auch als Wirbelbett bezeichneten stationären Wirbelschicht 3 dargestellt.
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Die Anlage weist einen Wirbelschicht-Reaktor 1 auf,
in den durch eine Leitung 2 zu behandelnde körnige Feststoffe
eingeleitet werden. Dort bilden die Feststoffe in einer Kammer ein
stationäres
Wirbelbett 3 aus, das von einem Fluidisierungsgas, bspw.
Luft, durchströmt
wird. Dazu wird das Fluidisierungsgas von unten durch einen Gasverteiler 4 in
das Wirbelbett 3 geleitet. Im oberen Bereich des Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
an die Kammer mit der stationären
Wirbelschicht 3 ein offener Hohlleiter 5 angeschlossen,
der zu einer Mikrowellen-Quelle 7 führt. Der
Hohlleiter 5 ist um einen Winkel α von 10° bis 20° Grad zur senkrechten Hauptachse 11 des
Wirbelschicht-Reaktors 1 geneigt. Die von der Mikrowellen-Quelle 7 ausgehenden
elektromagnetischen Wellen werden durch den Hohlleiter 5 geleitet
und in die Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 eingespeist. Sie
tragen zumindest teilweise zum Aufheizen des Wirbelbettes 3 bei.
Ferner wird durch eine Leitung 6 seitlich Spülgas, z.B.
Luft oder Stickstoff, in den Hohlleiter 5 eingespeist,
das in den Wirbelschichtreaktor weiterströmt und das Eintreten von Staub
oder Prozessgasen aus der Kammer mit dem stationären Wirbelbett 3 in
den Hohlleiter 5 verhindert. Auf diese Weise werden die
Mikrowellen-Quelle 7 vor einer Beschädigung geschützt und
gleichzeitig Mikrowellen absorbierende Schmutzablagerungen in dem
Hohlleiter 5 verhindert, ohne dass der offene Hohlleiter 5 durch
ein für
Mikrowellen transparentes Fenster verschlossen werden muss. Durch
den Neigungswinkel werden Reflexionen der in den Wirbelschicht-Reaktor 1 eingespeisten
Mikrowellen stark verringert, so dass die elektromagnetische Strahlung
besser von den Feststoffen absorbiert wird und der Wirkungsgrad
der Anlage und des Verfahrens steigt.
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Sofern für den Prozess erforderlich,
kann zusätzlich
eine Beheizung des stationären
Wirbelbetts 3 durch einen in dem Wirbelbett 3 angeordneten
Wärmeaustauscher 8 erfolgen.
Gebildete Gase und Dämpfe verlassen
die Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 durch eine Leitung 9 und
werden einer nicht dargestellten, an sich bekannten Kühlung und
Entstaubung zugeführt.
Die behandelten körnigen
Feststoffe zieht man durch die Austragsleitung 10 aus dem
Wirbelschicht-Reaktor 1 ab.
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In 2 ist
der Wirbelschicht-Reaktor 1 als Reaktor mit einem zirkulierenden
Wirbelbett (Wirbelschicht) ausgeführt. Die zu behandelnden Feststoffe
werden über
die Leitung 2 in den Wirbelschicht-Reaktor 1 geleitet
und von in den Wirbelschicht-Reaktor 1 eingeleitetem Fluidisierungsgas
mitgerissen, wodurch sich die zirkulierende Wirbelschicht ausbildet.
Die Feststoffe werden dann zumindest teilweise mit dem Gas durch einen
Kanal 18 aus dem Wirbelschicht-Reaktor 1 ausgetragen
und in einen Feststoff-Abscheider 12 geführt. Die
darin abgeschiedenen Feststoffe werden zumindest teilweise durch
eine Rückführleitung 13 in
den unteren Bereich der zirkulierenden Wirbelschicht des Wirbelschicht-Reaktors 1 rezirkuliert.
Ein Teil der Feststoffe kann auch durch die Austragsleitung 14 ausgeschleust
werden. Grobe Feststoffe, die sich unten in dem Wirbelschicht-Reaktor 1 ablagern,
können
durch eine Abzugsleitung 15 aus dem Reaktor 1 entfernt
werden. Das Fluidisierungsgas zur Bildung der zirkulierenden Wirbelschicht,
z.B. Luft, wird durch eine Leitung 4a an den Wirbelschicht-Reaktor 1 herangeführt und
gelangt zunächst
in eine Verteilkammer 4b, bevor es durch einen Rost 4c in
den Wirbelschicht-Reaktor 1 einströmt, den eingetragenen insbesondere
feinkörnigen
Feststoff mitreißt und
als Wirbelbett eine zirkulierende Wirbelschicht ausbildet.
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Ein Hohlleiter 5 verbindet
eine Mikrowellen-Quelle 7 mit der Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1, durch
den wie in der Anlage gemäß 1 Mikrowellen zur Erwärmung der
körnigen
Feststoffe in den Mikrowellen-Reaktor 1 eingespeist werden.
Zusätzlich
durchströmt
Spülgas
aus einer Sekundärbegasung 6 den Hohlleiter 5,
um den Eintritt von Schmutz sowie Ablagerungen in dem Hohlleiter 5 zu
vermeiden. Der Hohlleiter 5 ist um einen Winkel α von 10° bis 20° zur Hauptachse 11 des
Wirbelschicht-Reaktors 1 geneigt, um Reflexionen der eingestrahlten
Mikrowellen an den Feststoffen zu minimieren und in Verbindung mit
dem Gasstrom Staubablagerungen in dem Hohlleiter 5 zu vermeiden.
Die Mikrowellen-Quelle 7 ist hinter einer Abwinklung des Hohlleiters 5 angeordnet,
in der dieser gegenüber
seiner Längsachse
in etwa um den Winkel α abknickt.
Die an eine nicht dargestellte Ringleitung angeschlossene Sekundärbegasung 6 trifft
in dieser Abwinklung im wesentlichen axial auf den Hohlleiter 5.
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Auch im vorliegenden Fall kann der
Innenbereich der Kammer wieder mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern
zum zusätzlichen
Beheizen der körnigen
Feststoffe versehen sein, was in 2 der
besseren Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellt wurde.
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Staubhaltiges Gas verlässt den
Feststoff-Abscheider 12 durch die Leitung 9 und
wird zunächst
in einem Abhitzekessel 16 gekühlt, bevor es durch eine Entstaubung 17 geführt wird.
Dabei kann abgeschiedener Staub entweder aus dem Verfahren entfernt
oder durch eine nicht dargestellte Leitung zurück in die Kammer des Wirbelschicht-Reaktors 1 geführt werden.
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Gemäß 3 sind zwei stationäre Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a aufeinanderfolgend
angeordnet, wobei sich zwischen den Kammern der beiden Reaktoren 1 und 1a eine
Zwischenkammer 1c befindet. In allen drei Kammern bilden
die Feststoffe ein stationäres
Wirbelbett 3, 3a, das von Fluidisierungsgas durchströmt wird.
Das Fluidisierungsgas wird für
jede Kammer jeweils durch eine ei gene Leitung 4a herangeführt. Die
zu behandelnden körnigen
Feststoffe treten durch die Leitung 2 in den ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 ein
und fertig behandelte Feststoffe verlassen den zweiten Wirbelschicht-Reaktor 1a durch
die Austragsleitung 10. Vom oberen Bereich der Kammer des
ersten Reaktors 1 reicht eine erste Wand 19 nach
unten. Sie ist jedoch nicht bis zum Boden geführt, so dass im Bodenbereich
eine Öffnung 20 frei
bleibt, durch welche Feststoffe vom ersten Wirbelbett 3 in
das Wirbelbett 3a der Zwischenkammer 1c gelangen
können.
Die Zwischenkammer 1c reicht bis zu einer wehrartigen zweiten
Wand 21, über
die hinweg die Feststoffe vom Wirbelbett 3a der Zwischenkammer 1c in
die Kammer des zweiten Wirbelschicht-Reaktors 1a bewegt
werden. An die Kammern der beiden Reaktoren 1 und 1a sind
entsprechend den Anlagen gemäß 1 und 2 jeweils Hohlleiter 5 mit Spülluftleitungen 6 und
Mikrowellen-Quellen 7 angeschlossen, die um einen Winkel α zwischen
10° und
20° gegen die
senkrechte Hauptachse 11 geneigt sind. Die Hauptachsen
der Reaktoren 1 und 1a sind jeweils senkrecht ausgerichtet
und liegen parallel, so dass in der Zeichnung lediglich eine Hauptachse
eingezeichnet ist. Dabei ist der Einstrahlwinkel α in den ersten
Reaktor 1 von dem Einstrahlwinkel α in den zweiten Reaktor 1a verschieden.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bspw. Mikrowellen unterschiedlicher
Frequenz in die verschiedenen Kammern eingestrahlt werden. Natürlich kann
gemäß der vorliegenden
Erfindung auch vorgesehen sein, dass die beiden Einstrahlwinkel α für beide
Reaktoren 1, 1a gleich sind. In den Kammern der
Reaktoren 1 und 1a können zusätzlich Wämteaustauschelemente 8 angeordnet
sein.
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Der Gasraum 22 über dem
Wirbelbett 3 des ersten Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
von dem Gasraum 23, der zu der Kammer des zweiten Reaktors 1a und
der Zwischenkammer 1c gehört, durch die vertikale Wand 19 getrennt.
Für die
Gasräume 22, 23 existieren
separate Gasabzugsleitungen 9 und 9a. Dadurch
können
in den Kammern der Reaktoren 1 und 1a unterschiedliche
Bedingungen aufrechterhalten werden, insbesondere können unterschiedliche
Temperaturen herrschen oder unterschiedliche Fluidisierungsgase
durch die getrennten Gaszufuhrleitungen 4a zugeführt werden.
Ferner können
die beiden Mikrowellen-Quellen 7 unterschiedlich ausgestaltet
sein und verschiedene Aufgaben erfüllen. Insbesondere können Mikrowellen
verschiedener Frequenz oder Energie erzeugt und durch die Hohlleiter 5 eingespeist
werden.
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Gemäß 4 sind zwei stationäre Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a ohne
Zwischenkammer unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet, wobei
sich zwischen beiden eine Trennwand 19 befindet. In den
Kammern der beiden Reaktoren 1, 1a bilden die
Feststoffe ein stationäres
Wirbelbett 3, 3a aus, das durch Fluidisierungsgas
aus mehreren, nebeneinander angeordneten Leitungen 4a fluidisiert
wird. Die zu behandelnden körnigen
Feststoffe werden dem ersten Wirbelschicht-Reaktor 1 durch
die Leitung 2 zugeführt
und die behandelten Feststoffe verlassen den Wirbelschicht-Reaktor 1a durch
die Austragsleitung 10. Vom oberen Bereich der Kammer des
ersten Reaktors 1 reicht eine erste Wand 19 nach
unten, die jedoch nicht bis zum Boden geführt ist, so dass im Bodenbereich
eine Öffnung 20 frei
bleibt, durch welche Feststoffe vom ersten Wirbelbett 3 in
das Wirbelbett 3a des zweiten Wirbelschicht-Reaktors 1a gelangen
können.
Zu den beiden Kammern der Reaktoren 1 und 1a führen jeweils
Hohlleiter 5, die an Mikrowellen-Quellen 7 angeschlossen
sind. Durch diese offenen Hohlleiter werden nach dem bei den bisherigen
Ausführungsformen
bereits beschriebenen Prinzip Mikrowellen in die beiden Reaktoren 1, 1a eingespeist,
um die zu behandelnden Feststoffe, welche die Mikrowellenstrahlung
absorbieren, zu erhitzen und die notwendigen Prozesstemperaturen
zu erreichen. Die Hohlleiter 5 sind wieder um ihre jeweiligen
Einstrahlwinkel α zwischen
10° und
20° gegen
die Hauptachsen 11 der beiden Reaktoren 1, 1a geneigt.
Während
der Mikrowelleneinstrahlung strömt
durch Spülluftleitungen 6 gleichzeitig Spülgas in
die Hohlleiter 5 ein, um in diesen Ablagerungen zu vermeiden.
In den Kammern der Reaktoren 1 und 1a können zusätzlich Wärmeaustauschelemente 8 angeordnet
sein.
-
Der Gasraum 22 über dem
Wirbelbett 3 des ersten Wirbelschicht-Reaktors 1 ist
vom Gasraum 23, der zur Kammer des zweiten Reaktors 1a gehört, durch
die vertikale Wand 19 getrennt. Es existieren separate Gasabzugsleitungen 9 und 9a.
Dadurch können
in den verschiedenen Reaktorkammern 1 und 1a unterschiedliche
Bedingungen aufrechterhalten werden, insbesondere können die
Temperaturen oder die Gasphasenzusammensetzung unterschiedlich sein.
Auch können
unterschiedliche Fluidisierungsgase durch die jeweiligen Leitungen 4a zugeführt werden.
Ferner können
die beiden Mikrowellen-Quellen 7 unterschiedlich ausgestaltet sein
und verschiedene Aufgaben erfüllen.
-
Bei der Anordnung gemäß 5 treten die zu behandelnden
Feststoffe, die in der Leitung 2 herangeführt werden,
zunächst
in eine Vorkammer 31 ein und gelangen durch eine erste
Zwischenkammer 32 in den ersten Wirbelschicht-Reaktor 1.
Aus diesem treten die Feststoffe dann durch eine zweite Zwischenkammer 1c in
den zweiten Wirbelschicht-Reaktor 1a und schließlich durch
die dritte Zwischenkammer 33 in eine Kühlkammer 34 ein, bevor
die behandelten und gekühlten
Feststoffe durch die Austragsleitung 10 abgezogen werden. In
die Kammern der Wirbelschicht-Reaktoren 1 und 1a münden jeweils
Hohlleiter 5 mit zugehörigen,
nicht dargestellten Mikrowellen-Quellen, um nach dem bereits beschriebenen
Prinzip Mikrowellen in die Reaktoren 1 und 1a einzuspeisen.
Die Hohlleiter sind dabei auch hier in einem Winkel α von 10° bis 20° zur Hauptachse 11 der
Wirbelschichtreaktoren 1, 1a geneigt ausgeführt. In
allen Kammern befinden sich stationäre Wirbelbetten, denen man
Fluidisierungsgas durch für
jede Kammer getrennte Gaszufuhrleitungen 4a zuführt. Die
Abgase treten durch entsprechende Leitungen 9 aus.
-
In der Kühlkammer 34 befindet
sich im Wirbelbett eine Kühleinrichtung 35 zum
indirekten Wärmeaustausch,
deren Kühlfluid,
z.B. Kühlwasser,
in der Kühleinrichtung 35 erwärmt und
dann durch die Leitung 36 zum Wärmeaustauscher 37 in
der Vorwärmkammer 31 geführt wird.
Dort gibt das Kühlfluid
einen Teil seiner Wärme an
die Feststoffe im dortigem Wirbelbett ab, wodurch eine sehr ökonomische
Wärmeausnutzung
erreicht wird.
-
Um die Einspeisung von Mikrowellen
in eine stationäre
oder zirkulierende Wirbelschicht 3, 3a effizienter
zu gestalten und dabei die Mikrowellen-Quelle 7 gegen reflektierte
Mikrowellenstrahlen zu schützen,
ist die Mikrowellen-Quelle 7 erfindungsgemäß außerhalb
der stationären
oder zirkulierenden Wirbelschicht 3, 3a und der
Wirbelschicht-Reaktoren 1, 1a angeordnet. Die
Mikrowellen-Strahlung
wird durch mindestens einen offenen Hohlleiter 5 in den
Wirbelschicht-Reaktor 1, 1a eingespeist, wobei
der Einstrahlwinkel der Mikrowellen um einen Winkel von 10° bis 50°, vorzugsweise
10° bis
20°, zur
Hauptachse 11 des jeweiligen Wirbelschicht-Reaktors 1, 1a geneigt
ist.
-
Beispiel (Golderzröstung in
einer zirkulierenden Wirbelschicht)
-
Die nachfolgende Tabelle zeigt typische
Verfahrensparameter für
eine Golderzröstung.
Zum Vergleich sind die Daten mit und ohne die erfindungsgemäße Einstrahlung
der Mikrowellen aufgeführt.
Die Mikrowellenfrequenz liegt in dem genannten Beispiel bei 915
MHz.
-
-
-
Aufgrund einer Durchsatzsteigerung
um 30 % bei geringerem Ölverbrauch
kann die Anlagenkapazität bei
geringeren Emissionen durch den Einsatz von Mikrowellen, welche
unter einem Neigungswinkel von 15° eingestrahlt
werden, besonders gesteigert werden.
-
- 1,
1a
- Wirbelschicht-Reaktor
- 1c
- Zwischenkammer
- 2
- Leitung
- 3,
3a
- Wirbelschicht,
Wirbelbett
- 4
- Gasverteiler
- 4a
- Leitungen
- 4b
- Verteilkammer
- 4c
- Rost
- 5
- Hohlleiter
- 6
- Leitung,
Sekundärbegasung
- 7
- Mikrowellen-Quelle
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Leitung,
Gasabzugsleitung
- 10
- Austragsleitung
- 11
- Hauptachse
- 12
- Feststoff-Abscheider
- 13
- Rückführleitung
- 14
- Austragsleitung
- 15
- Abzugsleitung
- 16
- Abhitzekessel
- 17
- Entstaubung
- 18
- Kanal
- 19
- Wehr,
Trennwand
- 20
- Öffnung
- 21
- Wehr,
Trennwand
- 31
- Vorkammer
- 32
- Zwischenkammer
- 33
- Zwischenkammer
- 34
- Kühlkammer
- 35
- Kühleinrichtung
- 36
- Leitung
- 37
- Wärmetauscher