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Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen Gasen und darin suspendierten
festen Teilchen insbesondere in Verbindung mit einem Drehofen Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung, bei welcher Wärme zwischen einem festen Stoff und einem
Gas ausgetauscht wird, während sich der feste Stoff in der Form von nicht mehr als
einige Millimeter Durchmesser besitzende Teilchen frei beweglich in dem Gas befindet.
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Wärmeaustausch zwischen einem festen Stoff in Form feiner Teilchen
und einem Gas wird oft durch Einführen des festen Stoffes in einen Gasstrom ausgeführt,
welcher dann in einen Zyklon oder in eine Vorrichtung hineingeht, in welcher der
feste Stoff und das Gas getrennt werden. Bei solchen Verfahren bewegen sich der
feste Stoff und das Gas während des Wärmeaustausches im wesentlichen im Gleichstrom.
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Wenn der Strömungsweg auch lang genug gemacht ist, daß die Endtemperatur
von festem Stoff und Gas die gleiche ist, dann ist ein beträchtlicher Unterschied
zwischen der Anfangstemperatur des festen Stoffs und - der Endtemperatur des Gases
vorhanden, und somit ist das Verfahren unwirksam.
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Wenn überdies bei einem solchen Verfahren der feste Stoff große Mengen
feiner Teilchen, z. B. 400/( kleinere als 2 u enthält, dann können diese Teilchen
aus dem Gas nur durch einen großen Zyklon oder Staubabscheider mit großer Fläche
entfernt werden.
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Wenn die Teilchen heiß sind, pflegen sie sich an den Wänden abzulagern
und die Leitungen des Zyklons zu verstopfen.
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Es ist auch bekannt, zum Wänneaustausch zwischen feinteiligen, nach
unten absinkenden Feststoffen und von unten aufströmenden Gasen einen Schacht zu
benutzen, der mit t)ffnungen versehene Querwände aufweist, wobei jedoch das granulierte
Material nicht durch die Öffnungen der Querwände hindurchdringen kann. Infolgedessen
findet nur eine ungleichmäßige unterbrochene und unvollständige Wärmeübertragung
statt.
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Diese Nachteile werden durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung
überwunden.
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Die neue Vorrichtung zur Durchführung von Wärmeaustausch zwischen
Gasen und darin suspendierten festen Teilchen, insbesondere in Verbindung mit einem
Drehofen zum Brennen von Gut, besteht aus einem senkrechten Schacht mit Öffnungen
besitzenden Querwänden, Zufüvhrungen zur Einführung von Gasen am unteren Ende und
Ableitungen zur Entnahme von Gasen am oberen Ende des Schachtes und Zuführungen
zur Einführung von festen Teilchen am oberen Ende des Schachtes, so daß die Teilchen
in Suspension sich abwärts durch einen aufwärts gerichteten Gasstrom bewegen. Die
Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Öffnungen von solcher Weite in den Schachtwänden,
daß die Teilchen und die Gase sich hindurchbewegen können.
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Vorzugsweise nehmen die Öffnungen in den Querwänden in der Größe
von oben nach unten in dem Schacht zu. Dabei können die Öffnungen in den Ouerwänden
Durchlässe mit zur Schachtachse geneigten Achsen besitzen, um eine Drehbewegung
dem Gas mitzuteilen. Ferner können die Zwischenräume zwischen den Trennwänden mit
Öffnungen einen Engpaß aufweisen, um die Geschwindigkeit des durch sie hindurchgehenden
Gases zu ändern.
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Die Erfindung ist besonders vorteil(haft bei der Herstellung von
Zement, wobei sie auf einer oder mehreren beliebigen Stufen der Herstellung, wie
des Trocknens, Vorerhitzens, Kalzinierens, Sinterns und Kühlens, angewendet werden
kann, welche bei der Herstellung von Zement durchlaufen werden. Sie kann auch auf
das Brennen von Kalk oder Erzen angewendet werden. Wenn das Verfahren zum Erhitzen
fester Teilchen benutzt wird, können die heißen Gase Verbrennungsprodukte eines
beliebigen, auf die Teilchen angewendeten Verfahrens sein, beispielsweise die heißen
Gase aus einem Ofen, in welchem die Teilchen gebrannt wurden, oder die heißen Gase
können auch in einem getrennten feststehenden Ofen gesondert erzeugt werden. Die
Teilchen können auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt werden, da auf ihrem S sömungs-
weg
die Temperatur des Gut sie treffenden Gases zunimmt. Das Gas aus einem Drehofen
kann eine Temperatur von etwa 10000 C besitzen, und daher können die Teilchen fast
auf diese Temperatur erhitzt werden.
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Die zu behandelnden Teilchen können sehr fein sein, sogar so klein
wie z. B. 50 u oder auch viel größer wie bis 5 mm Durchmesser. Im letzteren Fall
können sie vorteilhafterweise Klümpchen im Durchschnitt von 0,5 bis 2.5 mm Durchmesser
sein. Dies ist viel kleiner als die üblicherweise bei der Zementfabrikation verwendete
Klümpchengröße.
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Die Behandlung der Teilchen in der Form von Klümpchen ist vorteilhaft,
weil sie weniger an den Wänden der Leitung oder anderer verwendeter Einrichtungen
unter Behinderung des Abwärtsfließens anzukleben neigen, als es sehr feine Teilchen
tun. Da sie etwas feucht sind (ihr Durchschnittswassergehalt kann etwa 12c/o betragen),
suchen sie jeglichen Staub in dem Gas aufzufangen und zu sammeln, und die Entwicklung
von Staub von Klümpchen ist geringer als von nicht verfestigten Teilchen, so daß
das Gas weniger Staub aus der Leitung herausträgt.
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In jedem Fall sollen die zu behandelnden Teilchen soweit wie möglich
alle von gleicher Größe sein, gleichgültig ob sie Klümpchen sind oder nicht. Daher
kann zu ihrer Erzeugung ein Ausgangsmaterial vermahlen und dann in zwei getrennte
Fraktionen zerlegt werden, beispielsweise von über und von unter 50 Z Teilchengröße,
worauf die feine Fraktion abgetrennt, in kleine Klümpchen übergeführt und zu der
groben Fraktion für die Wärmebehandlung zugesetzt wird.
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Ein pulverförmiges Material kann anfänglich aus einer Mischung feiner
und grober Teilchen bestehen.
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In diesem Fall kann es vor seiner Einführung in den Gasstrom leicht
angefeuchtet werden, z. B. mit bis zu etwa 100/o Wasser oder einem anderen Befeucltter.
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Hierdurch werden die sehr feinen Teilchen gebunden.
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Bei Verfahren, bei welchen die Teilchen nach unten durch einen aufwärts
strömenden Gasstrom gelten, kann völliger Wärmeaustausch, d. h. die Erreichung von
fast der Anfangstemperatur des Gases durch die Teilchen, einen sehr langen senkrechten
Schacht erfordern, insbesondere wenn in der Praxis die Menge an verfügbarem Gas
gewöhnlich durch andere Erwägungen als die des Wärmeaustausches bestimmt ist.
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Nun ist zu bedenken, daß die Fallgeschwindigkeit sehr feiner Teilchen
in einem aufwärts strömenden Gas sehr langsam sein würde. Tatsächlich ist sie bei
so kleinen Teilchen wie z. B. von 50 Il, welche einzeln in dem Gas frei suspendiert
sind, von einer Größenordnung von nicht mehr als 2,5 bis 5 cm pro Sekunde in sich
nicht bewegendem Gas, und sie ist noch niedriger, wenn das Gas aufwärts strömt.
Jedoch wurde in der Praxis gefunden, daß, wenn Teilchen in großen Niengen in Gas
suspendiert sind, die Fallgeschwindigkeit zunimmt. Der Grund liegt darin, daß, wenn
die Anzahl der Teilchen pro Vqlutneinheit sich vergrößert, die Teilchen sich nicht
mehr als Einzelteilchen, sondern mehr oder weniger als ein Körper verhalten welcher
sich als ein Ganzes verhältnismäßig schnell durch das Gas bewegt. Teilchen von der
durchschnittlichen Größe von 0,5 bis 2,5 mm neigen weniger dazu, sich als ein Körper
zu bewegen, weil davon weniger einzelne Teilchen bei einem gegebenen Gewicht in
der Volumeinheit vorhanden sind, aber diese Teilchen fallen selbst schneller. Wie
daher auch die Teilchengröße ist, ist es erwünscht, ihre freie-Abwärtsbewegung stellenweise
aufzuhalten und sb sicherzustellen, daß sie lange genug in dem Gasstrom verweilen,
ohne daß der Schacht zu lang gemacht werden muß. Dieses Auf-
halten erfolgt vorzugsweise
dadurch, daß die Geschwindigkeit der Aufwärtsströmung des Gases abwechselnd zu-
und abnimmt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in den Zeichnungen vçiedergegeben, welche darstellen in Fig. 1 eine schematische
Seitenansicht einer Anlage mit dem Wärmeaustauschapparat, Fig. 2 eitlen senkrechten
Schnitt durch den Wärmeaustauschapparat, Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch
eine andere Ausfiihrungsform des Wärmeaustauschapparates, Fig. 4 eine schematische
Ansicht einer anderen Anlage.
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Die Anlage nach Fig. 1 ist Teil einer Zementfahrik, bei welcher Klümpchen
voil Rohmaterial in einem Drehofen 1 gehrannt werden. Die Ofengase werden in das
untere Ende eines senkrechten Schachtes hineingeführt, in welchem sie sich im Gegenstrom
zu den Klümpchen bewegen, und gelten nach dem Verlassen des Schachtes 2 in einen
Zyklon 3. Hierin werden solche Teilchen, wie sie in dent Zyklon erfaßt werden können,
niedergeschlagen. bevor das Gas in einen Schornstein mittels eines Gebläses 4 abgegeben
wird.
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Die Klümpchen werden dem oberen Ende des Schachtes mittels einer Leitung
5 und eines nicht dargestellten Einlaßventils zugeführt. Sie bewegen sich in dem
Schacht 2 unter Schwerkraftwirkung nach unten und werden durch W ärmeaustausch mit
dem aufwärts gerichteten Gasstrom vorerhitzt. Die vorerhitzten Klümpchen treten
in das obere Ende des Ofens 1 zusammen mit dem in dem Zyklon 3 niedergeschlagenen
Staub ein, wobei dieser Staub durch eine Leitung 6 in eine Leitung 7 zwischen Ofen
und Schacht fließt. Der Staub selbst ist noch heiß beim Verlassen des Zvklons 3.
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Um das Herabfallen der Klümpchen in den Schacht 2 aufzuhalten, ist
der Schacht mit Querwänden 8 versehen, welche enge Öffnungen in Form von Durchlässen
9 besitzen. Zwischen diesen Trennwänden 8 sind Trennwände 10 mit größeren mittleren
Öffnungen 11 angeordnet. Wenn das Gas aufwärts strömt, vergrößert sich seine Geschwindigkeit
bei jeder Öffnung, und beim Verlassen jeder Öffnung kommt es in wirhelnde Bewegung,
und seine Aufwärtsgesdtwindigkeit nimmt wieder ab. Beim Durchgang durch jede Öffnung
9 kann die Gasgeschwindigkeit viel größer sein, als erforderlich ist. um die Klümpchen
tatsächlich in Suspension in dem Gas, d. h. schwehend, zu halten, so daß auf den
ersten Blick keine Klümpchen nach unten durch die Offnungen 9 hindurchgehen würden.
Wenn sich jedoch die Klümpchen unmittelbar oberhalb einer Öffnung in einem solchen
Ausmaß angesammelt haben, daß das Gas an dieser Stelle damit als gesättigt angesehen
werden kann, werden sich einige Klümpchen als zusammenhängender Körper durch die
Öffnung trotz der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gases in entgegengesetzter
Richtung bewegen. Das Abwärtsfließen der Klümpchen ist tatsächlich, wenn es einmal
begonnen hat, stetig, aber hevor jedes beliehige einzelne Klümpchen in eine Öffnung
9 eintritt, wird es durch das oberhalb der Öffnung wirbelnde Gas mitgenommen, so
daß der Wärmeaustausch ausgezeichnet ist.
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Die Trennwände 10 mit ihren Öffnungen 11 bilden in den Räumen zwischen
den Trennwänden 8 einen Engpaß und erzeugen so eine weitere Veränderung in der aufwärts
gerichteten Gasgeschwindigkeit.
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Beim Aufwärtsströmen des Gases verringert sich seine Temperatur und
damit auch sein Volumen. Um
sicherzustellen, daß es mit im wesentlichen
der gleichen Geschwindigkeit durch die oeffnungen 9 in den Trettttwänden 8 strömt,
nehmen diese Öffnungen vorzugsweise von der obersten bis zur untersten Trennwand
im Durchmesser zu.
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Die Gasgeschwindigkeit durch die Öffnungen 9 kann etwa 1 bis 10 m
pro Sekunde entsprechend der Art der Teilchen betragen, und die Geschwindigkeit
in den Räumen zwischen den Trennwänden 8 kann im Durchschnitt ein Viertel bis ein
Fünftel von der durch die Öffnungen 9 betragen. Die Dichte der Teilchen in diesen
Räumen sollte nicht 1,5 Pfund pro Kubikfuß überschreiten, und tatsächlich ist mit
den in Betrachl kommenden kleinen Klümpchen eine geeignete Dichte 0,06 Pfund pro
Kubikfuß. In den Öffnungen 9 sollte die Dichte das Vier- bis Fünffache von der in
den Räumen zwischen den Trennwänden sein.
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Es wurde in der Praxis gefunden, daß eine scharfe Trennung zwischen
den Teilchen oberhalb einer be stimmten Größe, welche geradeswegs nach unten durch
den Gas strom hindurchgehen, und solchen unterhalb der bestimmten Größe, welche
in dem Gas weggetragen werden, vorhanden ist. Die Entfernung der feinen Teilchen
ermöglicht den groben Teilchen: mit einer geringeren Neigung zur Block- oder Brückenbildung
zu fließen. Die Teilchengröße, bei welcher die Trennung stattfindet, hängt von der
Gasgeschwindig keit ab. Diese kann z. B. eine solche sein, daß bei der Behandlung
von Klümpchen mit einer maximalen Größe von 2 mm Teilchen über 0,5 mm in einer Menge
von etwa 75 Ole des Ganzen nach unteren gehen, während Teilchen unter 0.5 mm einschließlich
des Staubs und zerbrochener Klümpchen in einer Menge von etwa 25 0/0 weggetragen
werden.
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Haufen von Klümpchen bilden sich auf den Trennwänden 8 um die Öffnungen
9 herum, können ohne Nachteil dort belassen werden und brauchen nur von Zeit zu
Zeit durch Türen 12 entfernt zu werden.
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Die einzubringenden Klümpchen werden in den oberen Teil 13 des Schachts
2 durch eine mittlere Öffnung 14 eingeführt. Dieser obere Teil 13 ist in der Gestalt
eines Zyklons mit einer tangentialen Öffnung 15 ausgeführt.
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Der Durchgang der Teilchen durch das Gas kann auch dadurch verzögert
werden, daß dem Gas oder einem Teil davon an einem oder mehreren Stellen seines
Weges eine Drehbewegung erteilt wird. An diesen Stellen werden die Teilchen gezwungen,
an der Drehbewegung teilzunehmen und so einen längerer Weg in Berührung mit stetig
sich veränderndem Gas zurückzulegen. Eine solche Drehbewegung kann durch Schrägstellung
der Öffnungen 9 zur Schachtachse, wie in gestrichelten Linien bei 16 in Fig. 2 angegeben.
mitgeteilt werden.
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Der Schacht 2 von Fig. 2 braucht nicht als ein hloßer Vorerihitzer
benutzt zu werden, da sogar fertiges Kalzinieren, Sintern oder Rösten von Zementausgangsstoffen,
Kalk, Kalkprodukten oder Erzen durch das heiße Gut bewirkt werden kann, wenn ein
geeigneter Brenner an dem Schachtboden zur Gaserzeugung vorgesehen ist. In gleicher
Weise ist es möglich, gebrannte Stoffe in einem gleichen Schacht zu kühlen und die
erwärmte Kühlluft als Sekundärluft für die Verbrennung zu benutzen.
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Gewünschtenfalls kann der obere Teil des Schachtes von genügenden
Ausmessungen sein, um die Geschwindigkeit des Gasstromes darin so niedrig zu machen,
daß praktisch keine Teilchen von dem Gas weggetragen werden.
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Der Zyklon 3 kann durch ein beliebiges anderes
Staubfilter, z. B.
ein elektrostatisches Filter, ersetzt werden.
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Das Abwärtsfließen der Teilchen kann in anderer Weise. z. B. mechanisch,
aufgehalten werden, Beispielsweise können nach Fig. 3 Stäbe in waagerechter Richtung
über einen ebenen zylindrischen Schacht 2-4 winkelmäßig so versetzt befestigt werden,
daß ihre Enden auf zwei Spiralen liegen, wie in gestrichelten Linien gezeigt.
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Diese Einrichtung stellt sicher, daß die Aufwärtsströmung des Gases
im wesentlichen gleichförmig ist und doch die sich abwärts bewegenden Teilchen wiederholt
durch Aufschlagen auf die Stäbe aufgehalten werden.
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Die Stäbe können mit schrägen Flügeln ausgerüstet sein, so daß dem
aufwärts strömenden Gas eine Drehbewegung mitgeteilt wird. Auch können die Stäbe
durch Ketten ersetzt werden.
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Fig. 4 zeigt eine Anlage, in welcher das zu brennende Rohmaterial
in Klümpchen übergeführt wird, welche in einem Wärmeaustauschschadtt eingebracht
werden. Bei dieser Anlage sind ein Ofen 1 und ein Schacht 2B wie in Fig. l miteinander
verbunden. Das heiße Gas aus dem Ofen strömt in dem Schacht aufwärts und geht durch
eine Leitung 18 zu einem Zyklon 19. Das Gas aus dem Zyklon geht durch eine Leitung
20, in welcher Staubfilter 21 eingesetzt sind, und schließlich weiter durch eine
I,eitung 22 zu einem Schornstein. Der aus detn Gas in dem Zyklon 19 und dem Filter
21 entfernte Staub wird zu einer klümpchenbildenden Einrichtung 23 durch die Leitungen
24 und 25 geführt. Zusätzlich wird Rohzementbrei zu diesen klümpchenbildenden Apparat
23 durch Leitung 26 zuzugeführt. In der Einrichtung23 werden der Brei und der Staub
in kleine Klümpchen übergeführt. Die Klümpchen rollen aus dem Apparat 23 auf ein
Förderband 27 und gelangen in den Schacht 2B, wo sie vorerhitzt und teilweise kalziniert
werden. Der Schacht 2B kann im Innern, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ausgebildet
sein.
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Die Menge an als Speisung für die Einrichtung 23 erforderlichen nassem
Brei kann größer sein, als in ein Material von dem gewünschten Feuchtigkeitsgestalt
für die Klümpchenbildung durch den Zusatz von in dem Zyklon und dem Staubfilter
gesammeltem Staub umgewandelt werden kann. In diesem Fall kann eine Leitung mit
einer nach oben gerichteten Offnung in den Schacht 2B hineinragen, um etwas von
den teilweise getrockneten Klümpchen zu sammeln und sie aus dem Schacht zu einem
Becherwerk zu führen, durch welches sie dann zu dem klümpchenbildenden Apparat 23
durch Leitung 28 gebracht werden.
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Der Drehofen kann auch durch einen oder mehrere im Gegenstrom arbeitende
Schächte ersetzt werden, in welchen das bzw. die gleichen Verfahren wie im Drehofen
durchgeführt werden, einschließlich des Sinterns und beliebigen Kühlens des gebrannten
Produkts. Bei Verwendung mehrerer Schächte wird das Gas im Gegenstrom zu dem Material
von Schacht zu Schacht geführt, d. h., das obere Ende eines Schachts verlassendes
Gas wird an dem unteren Ende des folgenden Schachts in Richtung der Gasströmung
efugeführt. Ein oder mehrere Gebläse können vor oder nach einem Schacht oder zwischen
zwei Schächten angeordnet werden.
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Eine Anlage, in welcher ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Kühlen
von festen Stoffen verwendet wird, kann einen Drehofen und einen nachfolgenden im
Gegenstrom arbeitenden Schacht enthalten, welchem
das Material,
z. B. kalzinierte Tonerde, aus dem Ofen zugeführt und dort im Gegenstrom mit atmosphärischer
Luft gekühlt wird, welche ganz oder teilweise zur Verbrennung des in dem Drehofen
einige brachten Brennstoffs dienen kann.