DE1060064B - Device and method for generating and utilizing electrical heat - Google Patents

Device and method for generating and utilizing electrical heat

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DE1060064B DESCH19915A DESC019915A DE1060064B DE 1060064 B DE1060064 B DE 1060064B DE SCH19915 A DESCH19915 A DE SCH19915A DE SC019915 A DESC019915 A DE SC019915A DE 1060064 B DE1060064 B DE 1060064B
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Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung und Ausnutzung von Elektrowärme Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, das dazu dient, elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln und diese Wärme für wärmeverbrauchende Prozesse nutzbar zu machen. Device and method for generating and utilizing electrical heat The present invention relates to an apparatus and a method for this purpose serves to convert electrical energy into thermal energy and this heat for heat consuming Making processes usable.

Als Möglichkeiten der Umwandlung von elekfrischer Energie in Wärmeenergie sind in der Technik drei verschiedene Wege in Anwendung : Der Lichtbogen, die Widerstandserhitzung eines Leiters unter direktem Hindurchleiten eines Stromes und die Widerstandserhitzung eines Leiters durch induzierte Wirbelströme. Bei diesen Verfahren macht sich oftmals ffir die Ausnutzung der Wärme der Umstand ungünstig bemerkbar, daß die elektrisch erzeugte Wärme vielfach in relativ kleinen Bereichen konzentriert ist. Dies kann zu örtlichen Überhitzungen führen, die für die mit der Elektrowärme durchzuführenden Prozesse schädlich sein können. Des weiteren wird in vielen Fällen eine besonders rasch zu erzielende Wärmegleichmäßigkeit verhindert, wodurch die Durchsatzgeschwindigkeit der zu erhitzenden Beschickung erhöht werden könnte. Weiterhin wirkt sich oft der Umstand - speziell bei den den Widerstand eines Leiters ausnutzenden Verfahren für die Erzeugung von Elektrowärme - nachteilig aus, daß die in Frage kommenden Leiter bei den erforderlichen Temperaturen relativ kleine spezifische Widerstände haben, so daß nur niedrige Spannungen angelegt werden können und für große Leistungen hohe Stromstärken mit ihren bekannten Nachteilen zur Verfügung stehen müssen. Wesentlich günstiger verhält sich in dieser Beziehung der Lichtbogen ; dieser hat aber für die meisten Anwendungsfälle den Nachteil einer extremen Wãrmekonzentrierung. As ways of converting electrical energy into thermal energy three different ways are used in technology: the electric arc, resistance heating of a conductor with a current passing through it and the resistance heating of a conductor by induced eddy currents. This procedure often makes itself felt For the exploitation of the heat the circumstance unfavorably noticeable that the electric The heat generated is often concentrated in relatively small areas. This can lead to local overheating, which is necessary for the electrical heating to be carried out Processes can be harmful. Furthermore, one becomes special in many cases quickly achievable thermal uniformity prevents, thereby reducing the throughput rate the load to be heated could be increased. Furthermore, the often affects Circumstance - especially in the case of methods that exploit the resistance of a conductor for the generation of electrical heat - disadvantageous from that the head in question have relatively low specific resistances at the required temperatures, so that only low voltages can be applied and high voltages for large powers Current intensities with their known disadvantages must be available. Essential The arc is more favorable in this respect; but this has for most applications have the disadvantage of extreme heat concentration.

Die vorliegende Erfindung beseitigt die zuvor geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten. Sie geht von einer bekannten Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie durch Hindurchleiten des elektrischen Stromes durch ein aus leitenden Feststoffteilchen bestehendes Bett aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Feststof35-teilchen sich entweder in durch das Bett hindurchgeleitetem Trägergas oder in einem im Raum des Bettes befindlichen Einschlußgas schwebend und dadurch leicht beweglich befinden (Schwebebett). The present invention overcomes the disadvantages outlined above and difficulties. It is based on a known device for converting electrical energy in thermal energy by passing the electrical current through by a bed consisting of conductive solid particles and is characterized by that the solid particles are either in carrier gas passed through the bed or floating in a containment gas located in the space of the bed and thereby are easily movable (floating bed).

Ein solches Schwebebett ist dadurch charakterisiert, daß der dieses bildende Festkörper in einer solchen Stückgröße vorliegt, daß die einzelnen Stücke von der Gaskomponente, in der sie sich verteilt befinden, getragen oder in der Schwebe gehalten werden. Such a floating bed is characterized by the fact that this forming solid body is present in such a piece size that the individual pieces carried or suspended by the gas component in which they are distributed being held.

Hierbei kann das Gas sich in einer aufwärts strömenden Bewegung befinden, oder es kann ohne eine gerichtete eigene Bewegung die Festkörperteilchen nur durch die ihm innewohnende Wärmebewegung tragen.Here the gas can be in an upward flowing movement, or it can only pass through the solid particles without its own directed movement carry the heat movement inherent in it.

Die Erhitzung des Schwebebettes durch den elektrischen Strom erfolgt derart, daß seine Eigenschaft als elektrischer Widerstand ausgenutzt wird, entweder direkt unter Hindurchleiten eines Stromes oder indirekt durch induzierte Wirbelströme. The floating bed is heated by the electric current in such a way that its property as an electrical resistance is exploited, either directly by passing a current or indirectly by induced eddy currents.

Infolge der inneren Bewegung des Schwebebettes, die durch den Einfluß des elektrischen Stromesder z. B. als Drehstrom zur Anwendung gelangtbzw. durch die starke Temperaturbewegung des Trägergases besonders intensiv ist, findet ein ständiger sehr wirksamer Wärmeausgleich in dem gesamten Schwebebett statt. Andererseits erfolgt der Stromtransport von Feststoffteilchen zu Feststoffteilchen im wesentlichen durch den freien Gasraum, so daß die zwischen zwei Polen anzulegende Spannung - zwei der es sich meist um eine Wechselspannung handelt -erheblich größer ist, als wenn der Festkörper als durchgehende Leitung zwischen den Polen angeordnet wäre. Der Spannungsabfall zwischen solchen Polen liegt generell zwischen der Spannung des freien Überschlags und der Spannung, die erforderlich ist, wenn ein entsprechender durchgehender Feststoffleiter zwischen den Polen angeordnet wird. Die Stromzuführung zu dem als Widerstand zu schaltenden Schwebebett kann erfolgen wie bei einer als elektrischer Widerstand geschalteten Flüssigkeit. Zum Beispiel kann man in das Schwebebett Stromzuführungselektroden eintauchen lassen. Oder man kann den Boden des das Schwebebett begrenzenden Gefäßes als Elektrode ausbilden und weitere Elektroden durch die Wand in das Schwebebett einführen usw. As a result of the internal movement of the floating bed caused by the influence of the electric current of e.g. B. is used as three-phase current or. by the strong temperature movement of the carrier gas is particularly intense constant, very effective heat compensation takes place in the entire floating bed. on the other hand the current transport from solid particles to solid particles essentially takes place through the free gas space, so that the voltage to be applied between two poles - two which is mostly an alternating voltage - is considerably larger than if the solid were arranged as a continuous line between the poles. The voltage drop between such poles is generally between the voltage the free rollover and the tension required if a corresponding one continuous solid conductor is arranged between the poles. The power supply to the floating bed to be switched as a resistance can take place as with an as electrical resistance switched liquid. For example, you can go into the floating bed Let the power supply electrodes immerse. Or you can use the bottom of the floating bed limiting Form the vessel as an electrode and further electrodes insert through the wall into the floating bed, etc.

Als Festkörper für die Bildung eines Schwebebettes gemäß der vorliegenden Erfindung kommen solche Stoffe in Betracht, die bei der Temperatur, bei der das Schwebebett arbeitet, stabil sind, d. h. bei dieser Temperatur nicht zusammensintern oder schmelzen. As a solid for the formation of a floating bed according to the present invention Invention, such substances come into consideration that at the temperature at which the Floating bed works, are stable, d. H. do not sinter together at this temperature or melt.

Des weiteren sollen sie durch den Prozeß, in dem die erzeugte Elektrowärme ausgenutzt wird, nicht so verändert werden, daß sie die Stabilität des Schwebebettes beseitigen. Als solche Festkörper kommen bei tieferen Temperaturen z. B. SIetallpulver in Frage, wie z. B. pulverförmige Eisenlegierungen, insbesondere auch solche, die mit Chrom und Nickel legiert sind ; des weiteren auch Siliziumpulver. Bei höheren Temperaturen eignen sich pulverförmige bis kleinkörnige feuerfeste Stoffe, wie Tonerde, Magnesia, Kalk, Quarz usw. oder Verbindungen dieser. Für hohe Temperaturen eignen sich vor allem Kohlepulver oder kleinkörnige Kohle, des weiteren auch Karbide entsprechender Körnung und mit entsprechend hohem Schmelzpunkt. Die Stromzuführungselektroden für das Schwebebett bestehen zweckmäßig aus dem gleichen Stoff, aus dem das Schwebebett aufgebautist, oder aus einem Material, das bei guter Leitfähigkeit mit dem Stoff, aus dem das Schwebebett aufgebaut ist, oder sonstigen Stoffen, die im Schwebebett anwesend sind, bei der Arbeitstemperatur des Schwebebettes keine für den Gesamtprozeß nachteiligen Verbindungen oder Lösungen eingeht.Furthermore, they should go through the process in which the generated electrical heat is exploited, are not changed in such a way that they improve the stability of the floating bed remove. As such solids come at lower temperatures z. B. Metal powder in question, such as B. powdered iron alloys, especially those that are alloyed with chromium and nickel; also silicon powder. At higher Temperatures are suitable for powdery to small-grain refractory materials such as alumina, Magnesia, lime, quartz, etc., or compounds of these. Suitable for high temperatures Above all coal powder or small-grain coal, furthermore also carbides, more appropriate Grain and with a correspondingly high melting point. The power supply electrodes for the floating bed are expediently made of the same material as the floating bed is built up, or of a material that, with good conductivity, with the substance, from which the floating bed is built, or other materials that are in the floating bed are present, at the working temperature of the fluidized bed, none for the entire process enters into disadvantageous connections or solutions.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand an Hand von Beispielen erläutert : Das Beispiel I betrifft die Verwendung eines elektrisch erhitzten Schwebebettes für die Aufheizung eines Gasstromes. Es soll z. B. Wasserstoffgas auf eine Temperatur von etwa 700° C aufgeheizt werden. The subject matter of the invention is explained below using examples explained: Example I relates to the use of an electrically heated floating bed for heating a gas flow. It should z. B. hydrogen gas to a temperature can be heated up to about 700 ° C.

In diesem Fall wird ein Schwebebett verwandt, das z. B. aus einem Pulver einer Eisenlegierung besteht, deren Legierungsbestandteile Chrom, Nickel, Mangan und andere sein können. Die Teilchen des Schwebebettes sind so groß gehalten, daß sie von dem unten in das Schwebebett eingeführten und nach oben aus diesem entweichenden Wasserstoffgas in der Schwebe gehalten werden. Als Stromzuführungselektroden können solche aus der gleichen Eisenlegierung Verwendung finden. Die Haltbarkeit der Elektroden kann durch eine innere Wasserkühlung derselben verbessert werden.In this case a floating bed is used. B. from a Powder of an iron alloy, the alloy components of which are chromium, nickel, Manganese and others can be. The particles of the floating bed are kept so large that they are introduced from below into the floating bed and escape from it upwards Hydrogen gas to be kept in suspension. Can be used as power supply electrodes those made of the same iron alloy are used. The durability of the electrodes can be improved by internal water cooling of the same.

Beispiel II betrifft die Erwärmung von Festkörpern in einem elektrisch erhitzten Schwebebett. Es sollen z. B. Kupferspäne durch Elektrowärme eingeschmolzen werden. Das Schwebebett besteht in diesem Fall aus Kokspulver, in das Graphitelektroden eintauchen. Die Kupferspäne werden von oben in das Schwebebett eingestreut, das geschmolzene Kupfer sammelt sich über dem Boden des Gefäßes und wird VOll hier kontinuierlich oder diskontinuierlich durch eine Öffnung in der Gefäßwandung entfernt. Example II relates to the heating of solids in an electrically heated floating bed. It should z. B. Copper shavings melted down by electrical heat will. In this case, the floating bed consists of coke powder in the graphite electrodes immerse. The copper shavings are sprinkled into the floating bed from above Molten copper collects above the bottom of the vessel and becomes full here continuously or removed discontinuously through an opening in the vessel wall.

Beispiel III betrifft ein Verfahren, bei dem die Elektrowärme dazu dient, den großen Energiebedarf einer endothermen Reaktion zu decken. Als Prototyp für eine größere Anzahl ähnlicher Reaktionen kann hier die Bildung von Kalziumkarbid aus Kohle und Kall ; gelten nach der Reaktionsgleichung CaO+3C = CaC2+CO. Example III relates to a method in which the electric heat is added serves to meet the large energy requirements of an endothermic reaction. As a prototype the formation of calcium carbide can lead to a large number of similar reactions from coal and potatoes; according to the reaction equation CaO + 3C = CaC2 + CO.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Durchführung dieser Reaktion kann z. B. auf die folgende Weise geschehen : Ein Schwebebett aus staubförmiger bis kleinkörniger Kohle wird elektrisch mit Hilfe eintauchender Stromzuführungselektroden erhitzt. In das Kohlebett werden kontinuierlich oder diskontinuierlich Kalkpartikeln eingeführt, z. B. durch Einstreuen von kleinkörnigem Kalli-on oben. Der Kalk wird nach der oben angegebenen Reaktion zu Kalziumkarbid umgewandelt. Das schmelzflüssige Karbid schließt sich zu größeren räumlichen Komplexen zusammen, wird in dieser Form von dem das Schwebebett tragenden gasförmigen Medium nicht mehr gehalten und sinkt nach unten unter Bildung einer Schicht von Karbidschlacke, die diskontinuierlich oder kontinuierlich aus dem Reaktionsgefãß entlernt wird. The application of the method according to the invention for the implementation this reaction can e.g. B. done in the following way: A floating bed from more dusty until small-grained carbon becomes electrical with the help of immersing power supply electrodes heated. Lime particles enter the coal bed continuously or discontinuously introduced, e.g. B. by sprinkling small-grain calli-on above. The lime will converted to calcium carbide according to the reaction given above. The molten one Carbide combines to form larger spatial complexes and is in this form is no longer held by the gaseous medium carrying the floating bed and sinks downwards, forming a layer of carbide slag that is discontinuous or is continuously removed from the reaction vessel.

Beispiel IV betrifft ebenfalls ein Verfahren mit einem hohen endothermen Wärmebedarf. Es handelt sich um die Reduktion der Tonerde mit Kohlenstoff. Example IV also relates to a high endothermic process Heat demand. It is the reduction of the alumina with carbon.

In diesem Fall besteht das Schwebebett aus Tonerde geeigneter Körnung. Dieses Schwebebett wird durch eintauchende Elektroden als elektrischer Widerstand geschaltet und auf eine Temperatur von etwa 1800° C erhitzt. In das derart erhitzte Schwebebett wird Kohle geeigneter Körnung eingestreut. Die Kohle reduziert die Tonerde zu Aluminiummetall, das - solange Kohle im Schwebebett vorhanden ist -zu Aluminiumkarbid umgewandelt wird. Das Aluminiumkarbid hat weiter die Möglichkeit der Reaktion mit der überschüssigen Tonerde unter Bildung von Aluminiummetall. Dieses kann sich am Boden des Schwebebettes schmelzflüssig ansammeln und von hier kontinuierlich oder periodisch entfernt werden.In this case the floating bed consists of clay of suitable grain size. This floating bed is created by immersing electrodes as an electrical resistance switched and heated to a temperature of around 1800 ° C. In the so heated Coal of a suitable grain size is sprinkled in the floating bed. The charcoal reduces the clay to aluminum metal, which - as long as there is carbon in the floating bed - to aluminum carbide is converted. The aluminum carbide also has the possibility of reacting with the excess alumina to form aluminum metal. This can be on Collect the bottom of the floating bed in a molten state and from here continuously or be removed periodically.

Die Stromzuführungselektroden bestehen in diesem Fall aus Sinterkorund mit einem metallischen Kern, z. B. einem Kupferkern. Das Schwebebett aus Tonerde wird erst bei hohen Temperaturen so leitend, daß es eine ausreichende Stromaufnahme aufweist. Das Aufheizen eines solchen Tonerdeschwebebettes kann so erfolgen, daß man von einem normalen Kohleschwebebett ausgeht und dieses durch eintauchende Graphitelektroden erhitzt. Nachdem die erforderliche Temperatur erreicht ist, wird das Schwebebett nach und nach mit Tonerde angereichert, bis dieses praktisch nur mehr aus Tonerde besteht. Dann wird der Strom auf in das Schwebebett eintauchende und inzwischen ebenfalls aufgeheizte Korundelektroden umgeschaltet. An Stelle von Korundelektroden können auch solche aus einem hochschmelzenden Metall, z. B. aus Wolfram, Verwendung finden.In this case, the power supply electrodes are made of sintered corundum with a metallic core, e.g. B. a copper core. The floating bed made of clay only becomes so conductive at high temperatures that there is sufficient power consumption having. The heating of such a floating alumina bed can take place in such a way that a normal carbon floating bed is assumed and this is done by immersing graphite electrodes heated. After the required temperature is reached, the floating bed becomes Gradually enriched with clay until it is practically only made of clay consists. Then the current is immersed in the floating bed and meanwhile also switched over heated corundum electrodes. Instead of corundum electrodes can also those made of a refractory metal, e.g. B. made of tungsten, use Find.

Es liegt in der Natur eines Schwebebettes, daß mit dem aus diesem entweichenden Gas Staub ausgetragen wird. Dieser Staub kann der Feinstaub des das Schwebebett bildenden Stoffes sein, der sich bei der ständigen Reibung der Feststoffteilchen aneinander bildet. Dieser Staub kann aber auch von einem anderen in das Schwebebett eingeführten Stoff stammen, der in diesem aufgeheizt oder zur Reaktion gebracht werden soll. Es ist in vielen Anwendungsfällen zweckmäßig, daß der Staub aus dem Gas abgeschieden und dem Schwebebett wieder zugeführt wird. Vor der Wiedereinbringung des Staubes in das Schwebebett ist es gegebenenfalls zweckmäßig. diesem durch einen geeigneten Prozeß eine größere Körnung zu geben, z. B. durch Brikettieren, Sintern, Pelletisieren usw. It is in the nature of a floating bed that with the one from it escaping gas dust is discharged. This dust can be the fine dust of the that Be a floating bed forming substance, which is caused by the constant friction of solid particles forms together. However, this dust can also enter the floating bed from another imported substance originate, which is heated in this or caused to react shall be. It is useful in many applications that the dust from the Gas is separated and fed back to the floating bed. Before reintroduction of the dust in the floating bed, it may be useful. this by one suitable process to give a larger grain, z. B. by briquetting, sintering, Pelletizing, etc.

Im Falle des oben angeführten Beispiels III enthält z. B. das aus dem Schwebebett entweichende Kohlenoxydgas Feinstaub aus Kalk und Kohle. In diesem Fall wird zweckmäßig das staubhaltige Gas zunächst gekühlt, z. B. in einem Abhitzekessel, sodann wird der Staub, z. B. mit einer elektrischen Gasreinigung, entfernt. Der Staub wird angefeuchtet und durch einen Abrollvorgang gekrümelt. Die Krümel werden hunter Umständen nach einer Härtung - in das Schwebebett wieder eingestreut. In the case of Example III above, for. B. that out Carbon oxide gas, fine dust from lime and coal escaping from the floating bed. In this In the case, the dust-containing gas is first cooled, for. B. in a waste heat boiler, then the dust, e.g. B. with an electrical gas cleaning removed. Of the Dust is moistened and crumbled by a rolling process. The crumbs will be h possibly after hardening - sprinkled into the floating bed again.

Zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört auch die Durchführung des im vorangehenden beschriebenen Verfahrens bei verändertem Druckniveau. The subject matter of the present invention also includes implementation of the method described above with a changed pressure level.

Für verschiedene mit Elektrowärme nach dem vorliegenden Verfahren durchzuführende Prozesse kann es z. B. vorteilhaft sein, bei Unterdruck zu arbeiten, z. B. bei der Durchführung der Reaktion zwischen Tonerde und Aluminiumkarbid gemäß Beispiel IV.For various with electric heat according to the present method Processes to be carried out can be B. be advantageous to work with negative pressure, z. B. when carrying out the reaction between alumina and aluminum carbide according to Example IV.

Bei anderen Prozessen kann es auch vorteilhaft sein, diese bei Uberdruck durchzuführen, z. B. um die Verstaubungsverluste des Schwebebettes klein zu halten.In the case of other processes, it can also be advantageous to use these at overpressure perform, e.g. B. to keep the dust losses of the floating bed small.

PATENTANSPROCHE 1. Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie durch Hindurchleiten des elektrischen Stromes durch ein aus leitenden Feststoffteilchen bestehendes Bett, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffteilchen sich entweder in durch das Bett hindurchgeleitetem Trägergas oder in einem im Raum des Bettes befindlichen Einschlußgas schwebend und dadurch leicht beweglich befinden (Schwebebett). PATENT CLAIM 1. Device for converting electrical energy in thermal energy by passing the electric current through a conductive A bed consisting of solid particles, characterized in that the solid particles either in carrier gas passed through the bed or in one in space of Bed contained containment gas floating and are therefore easily movable (Floating bed).

Claims (1)

2. Verfahren zum Erhitzen eines Gases mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu erhitzende Gas durch das Schwebebett hindurchgeleitet wird. 2. A method for heating a gas with a device according to Claim 1, characterized in that the gas to be heated through the floating bed is passed through. 3. Verfahren zum Erhitzen von festen oder flüssigen Körpern mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erhitzenden festen oder flüssigen Körper in das Schwebebett eingebracht und an dessen Boden diesem wieder entnommen werden. 3. Process for heating solid or liquid bodies with a Device according to claim 1, characterized in that the solid to be heated or liquid body introduced into the floating bed and this at the bottom can be removed again. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schwebebett endotherme Prozesse durchgeführt werden. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that endothermic processes are carried out in the floating bed. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der Prozesse im Schwebebett unter lDber-oder Unterdruck des Gases, in welchem die Feststoffteilchen schweben, erfolgt. 5. The method according to claims 2 to 4, characterized in that that the implementation of the processes in the floating bed under the over- or underpressure of the Gas in which the solid particles float takes place. In Betracht gezogene Druckschriften : Deutsche Patentschriften Nr. 337 326, 463 079, 636 602 ; schweizerische Patentschrift Nr. 124 086. Considered publications: German Patent Specifications No. 337 326, 463 079, 636 602; Swiss patent specification No. 124 086.
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