DE1186834B - Vorrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrische Widerstandsheizung ineinem Wirbelschichtbett elektrisch leitender Teilchen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrische Widerstandsheizung in einem Wirbelschichtbett elektrisch leitender Teilchen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrische Widerstandsheizung in einem Wirbelschichtbett elektrisch leitender Teilchen, welche im wesentlichen aus einem von einer Wärmeisolierung umgebenen Reaktionsgefäß besteht, welches in seinem unteren Teil von einer Uaseinlaßvorrichtung zur Zuführung und Verteilung des Gases über den gesamten Gefäßquerschnitt abgeschlossen ist und in seinem oberen Teil eine Gasauslaßvorrichtung sowie ein über der Gaseinlaßvorrichtung aufgeschüttetes Wirbelbett und mindestens zwei gegebenenfalls von einer Isolierung umgebene Elektroden für die Stromzuführung enthält, von denen mindestens eine von oben in die Kammer eingeführt ist.
• Die bereits Anfang der dreißigerJahre entwickelte Wirbelschichttechnik wurde zwischenzeitlich so ausgebaut und verfeinert, daß sie heute ein beliebtes Instrument in der Hand des Verfahrenstechnikers, insbesondere zur Durchführung von Hochtemperatursynthesen, darstellt. Die elektrische Beheizung der Wirbelschichtbetten erfolgte zunächst durch in entgegengesetzten Wandungen des Reaktionsbehälters untergebrachte Elektroden, von denen der elektrische Strom durch das Wirbelschichtbett der Kohleteilchen hindurchfloß. Bei einer derartigen Beheizung ergaben sich Schwierigkeiten, besonders wenn man Betriebstemperaturen von über 9000 C erzeugen wollte. Die Hauptschwierigkeit beim Betrieb elektrisch beheizter Wirbelschichtbetten bei erhöhten Temperaturen liegt in einem Versagen der elektrischen Anlage infolge einer anscheinenden Betriebsstörung innerhalb des Wirbelschichtbettes, die durch einen Verlust der elektrischen Isolationseigenschaften der die Elektroden verschiedenen Potentials voneinander trennenden Bauelemente bedingt ist. Derartige Betriebsstörungen führen häufig zu Kurzschlüssen und diese infolge der hohen fließenden Ströme zum Schmelzen keramischer Bauteile im Inneren des Reaktionsbehälters, so daß häufig eine Reparatur oder gar Erneuerung der Auskleidung der Behälter erforderlich ist.
• Trotzdem wurde immer wieder derartige Vorrichtungen konstruiert, ohne daß man der elektrischen Isolierung bzw. dem Wärmeschutz der erforderlichen elektrischen Isolierung die notwendige Aufmerksamkeit schenkte. Auch bei einer anderen bekannten Vorrichtung, bei welcher besondere Isolierrohre um die von oben in den Reaktionsbehälter eingesetzten Elektroden vorgesehen sind, heißt es lediglich, daß für eine solche Isolation Quarzrohre mit Hohlwänden verwendet werden könnten, durch welche Kühl- wasser gepumpt wird. Eine solche hohle Quarzglasröhre ist jedoch ein sehr empfindlicher Bauteil, welcher sich kaum zur Verwendung unter so rauhen Bedingungen eignen dürfte, wie dieselben in einem elektrisch beheizten Hochtemperaturwirbelbett bei einer industriellen Anlage herrschen.
• Es ist auch bereits eine Vorrichtung bekannt, die dazu dient, den Angriff der Strahlungswärme des Ofenraumes auf die oberen Teile der von einer Schutzvorrichtung umhüllten Elektrode zu reduzieren. Dabei kann jedoch zwischen der Elektrodenoberfläche und den Innenkanten der Schutzvorrichtung ein nicht unbeträchtlicher Anteil an Strahlungswärme entweichen. Auch zwischen den Außenkanten der Schutzvorrichtung und der Ofenwandung kann ein Teil der Wärme entweichen, der die oberen Ofenteile angreift. Weiterhin bewirkt die Wärmestrahlung um eine Elektrode zweifellos einen Angriff der Isolierung an den Stellen für die Einführung weiterer Elektroden bei Mehrelektrodenöfen. Auch eine derartige Vorrichtung ist nicht so ausgelegt, daß sie den gesamten Querschnitt des Ofenraumes zwischen der Brennkammer und dem Ofenoberteil überdeckt.
• Außerdem ist es ungünstig, die verschiedenen die Elektroden umgebenden, aus Metall bestehenden Schutzvorrichtungen so dicht beieinander anzuordnen, daß keine Energie in Form von Strahlungswärme vom eigentlichen Verbrennungsraum zum Ofenoberteil gelangen kann,; da sich dabei zwangläufig eine erhöhte Kurzschlußgefahr ergibt. Eine derartige Schutzvorrichtung mag zwar für elektrische öfen mit ruhendem BrçG>t angewendet werden, sie kann aber keinesfalfs-als ILösung für die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dienen, eine elektrische Isolierung um die Elektroden herum vollständig vor aller Strahlungshitze von den oberen Teilen eines am Boden der Elektroden angeordneten Wirbelschichtbettes zu schützen.
• Auch eine andere Wärmeschutzvorrichtung in Form wassergekühlter Roste, die eine Schicht des für die Ofenbeschickung notwendigen Materials tragen, ist für einen Wirbelschichtreaktionsbehälter 4ww¢,ad,b,ar, dg eipe, derartige Schicht für das zur Erzeugung der Wirbelschicht - notwendige Gas bzw. die Lüft - einen zu großen Widerstand darstellen würde.
• Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung der beschriebenen Art zu schaffen, die eine einwandfreie Wärmeisolierung der elektrischen Isolierung für die Elektien gegenüber der Strahlungshitze aus dem Reaktionsbehälter gewährleistet. Erfindungsgemäß wird dies es t;iel dadurch erreicht, daß um jede von oben in das Reaktionsgefäß eingeführte Elektrode eine gasdichte elektrische Isolierung angeordnet ist, welche die Elektrode an der Stelle ihres Eintritts in das Reaktionsgefäß umgibt und außer dem - Wirbelschiehtbett die einzige Verbindung zwischen der Elektrode und der wärmeisolierten Gefäßwandung darstellt, und daß eine von der Isolierung getrennte Strahlenabschirmung zwischen der Isolierung und dem Wirbelschichtbett so angeordnet ist, daß keine Wärmestrahlen von dem Wirbelschichtbett direkt auf-dieIsoiierung auftreffen.
• Zweckmäßigerweise füllt man bei einer derartigen Vorrichtung eine Elektrode in den unteren Teil des Reaktionsgefäßes und eine zweite Elektrode in den oberen Teil desselben ein. Derjenige Teil, der von oben in das Reaktionsgefäß eingeführten Elektrode, der rni.t'der-elektrischen Isolierung in Berühr4ng steht, kann in an sich bekannter Weise durch den Umlauf eines Kühlmittels gekühlt werden. Die Strahlenabschirmung besteht zweckrnäßigerweise aus einer wärmeisolierenden - Lochplatte,- welche nahe dem oberen Gefnde angeordnet ist und deren Lochdurchmesser großer als der Elektrodendurchmesser ist, wobei diese Öffnung gegenüber der Isolierung und dem gekühlten Elektrodenkopf so angeordnet- ist, daß, die Wärmestrahlung von dem Wirbelschichtbett durch die Öffnung in der Lochplatte auf den gelXhlten Elelctrodemlopf auftritt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich a'4s der BçschreibWg der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele. der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt sind.
• F i g. 1 zeigt einen schematischen Mittellängsschnitt durch ein elektrisch beheiztes Wirbelschichtbett; Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1; Fig:3 3 ist ein Querschnitt nach der Linie B-B in Fig. 1; F i g. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel im Längsschnitt.
• Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem hochtemperaturfesten GlaszylinderlO, der ein Wirbelschichtbett 11 aus elektrisch leitenden festen Stoffen enthält. Das Aufwirbelungsgas für das Bett wird durch den Einlaß 12 in den Zylinder 10 eingeleitet und unter dem Bett durch den Verteiler 13 verteilt. Ein Gasauslaß 14 dient zur Ableitung der Gase aus dem Glaszylinder. Der elektrische Strom wird dem Wirbelschichtbett über zwei Elektroden -15 zugeführt, die über die Leitungen 16 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Energiequelle angeschlossen sind. Die beiden Elektroden 15 sind voneinander getrennt angeordnet und gegen das Reaktionsgefäß 10 durch den elektrisch isolierenden Kautschukstopfen 17 isoliert. Letzterer ist gegen die aus dem Wirbelschichtbett abgegebene direkte Strahlungshitze durch einen zentralen hitzebeständigen Schild 18 isoliert, der an dem Gasauslaß 14 befestigt ist, ferner durch zwei zusätzliche Schilde 19, die voneinander getrennt an den beiden Elektroden angebracht sind. Alle drei Schilde 18, 19 sind weder mit einander noch mit anderen Bauteilen der Vorrichtung in Berührung. Die- Kühlung durch natürliche Luftbewegung bzw. Konvektion reicht aus, um den oberhalb der Strahlungsschilde befindlichen Teil des Reaktionsgefäßes zu kühlen.
• In F i g. 4 ist ein für den Großbetrieb bestimmter zylindrischen Wirbelschichtreaktionsbehälter im Schnitt dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Stahlmantel 20 und einem Deckel 21, welche eine wärmeisolierende keramische Verkleidung 22 einschließen. Das Wirbelschichtbett 23 wird durch durch den unteren Einlaß24 eintretendes Gas aufgewirbelt, welches durch den elektrisch leitenden Verteiler 25 verteilt wird. Das Gas verläßt --die. Vorrichtung durch den Auslaß 26--Der Verteiler wirkt hierbei als Bodenelektrode der Vorrichtung und. der hält seinen Strom durch die Bodenelektrode 27, Die von oben. in das Reaktionsgefäß - eingeführte. Kopf elektrode 28 verläuft durch eine Bohrung im Wärmeschutzschild .29, der den eigentlichen Reaktionsraum nach oben abdeckt. Dieser Schild 29 nimmt die -gesamte vom Wirbelschichtbett 23 nach oben - abgestrahlte Wärmemenge mit Ausnahme desjenigen Teils auf, der - durch den Ringraum zwischen der Elektrode 28 und dem Schutzschild 29 hindurchgeht.
• Die durch diesen Raum hindurchtretende Wärme stößt auf den Kopf 30 der Elektrode, der durch ein umlaufendes Kühlmittel gekühlt wird, welches bei 31 eintritt und den Kopf bei 32 verläßt. Der Isolierring33, der den Kopf 30 trägt, ist gegen die vom Wirbelschichtbett abgestrahlte Hitze durch den Schutzschild 29 und den gekühlten Elektrodenkopf 30 geschützt. Dadurch sind die Elektrode 28 und der auf gleichem Potential liegende Elektrodenkopf 30 vom übrigen Teil der Vorrichtung elektrisch isoliert.
• Die mit dem heißen Wirbelschichtbett in Berührung stehenden Oberflächen der Vorrichtung oder diejenigen Teile, die der direkten Strahlung des Reaktionsraumes ausgesetzt sind, nehmen Temperaturen an, die praktisch ebenso hoch sind wie die des Wirbelschichtbettes selbst, falls man nicht durch wirksame Kühlung dem entgegenwirkt. Alle derart exponierten Teile der Vorrichtung müssen daher entweder eine hohe Hitzebeständigkeit haben oder wirksam gekühlt werden. Um die Wärme nicht in unerwünschter Weise durch Kühlung aus dem Wirbelschichtbett abzuführen, ist man daher bemüht, wärmeisolierende Materialien in möglichst großem Umfang einzusetzen. Als feuerfeste Bauelemente eignen sich bekanntlich Ziegel mit hohem Tonerdegehalt besonders gut, welche ohne weiteres für die das Wirbelschichtbett umgebenden senkrechten Wandungen verwendbar sind. Für den Wärmeschutzschild 29 läßt sich ein vergießbarer feuerfester Stoff mit hohem Tonerdegehalt verwenden. Auch Siliciumcarbid bzw. Carborundum ist ein ausgezeichneter feuerfester Stoff, der entweder allein oder in Verbindung mit gegossenen feuerfesten Teilen als Auskleidung verwendbar ist.
• Da die die Elektroden elektrisch voneinander isolierenden Teile der Vorrichtung erfindungsgemäß gegen die direkte Hitze des Wirbelschichtbettes abgeschirmt sind, braucht man für diese Teile kein hochtemperaturfestes Material zu verwenden. Es ist daher sogar wie bei dem in F i g. 1 gezeigten Laborgerät möglich, dasselbe mehrere Stunden lang mit Temperaturen von über 10000 C zu betreiben, ohne daß der als elektrische Isolierung verwendete Kautschukstopfen 17 zerstört worden wäre, obwohl sich dieser nur etwa 10 bis 15 cm vom heißen Wirbelschichtbett entfernt befand. Auch bei der für den Großbetrieb geeigneten Vorrichtung gemäß F i g. 4 fand man noch nach Wochen ununterbrochenen Betriebes, daß die gefährdeten, in diesem Fall aus Asbestpappe hergestellten elektrischen Isolierungen eine gleich gute Isolierwirkung zeigten, wenn sie gemäß der Erfindung abgeschirmt waren. Betreibt man dagegen die gleiche Vorrichtung nur kurzzeitig ohne den Schutzschild 29 und den gekühlten Elektrodenkopf 30, so wird das gleiche Material bereits nach wenigen Tagen krümelig und neigt zu elektrischen Kurzschlüssen.
• Die in direkter Berührung mit dem heißen Wirbelschichtbett stehenden Elektroden bestehen zweckmäßigerweise aus Graphit oder einer sonstigen geeigneten Form des Kohlenstoffs mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit. Derartige Elektroden verbinden eine angemessene elektrische Leitfähigkeit mit wirksamer Hitzebeständigkeit, die Elektroden aus Metallegierungen, wie sie bisher häufig für derartige Zwecke eingesetzt wurden, nicht besitzen.
• Die in direkter Berührung mit der kritischen elektrischen Isolierung stehenden Elektrodenteile können in der in F i g. 4 gezeigten Weise gekühlt werden, indem man beispielsweise die Kohleelektrode 28 in einen Metallelektrodenkopf 30 einpaßt, der durch ein geeignetes zirkulierendes Kühlmittel gekühlt ist.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrische Widerstandsheizung in einem Wirbelschichtbett elektrisch leitender Teilchen, welche im wesentlichen aus einem von einer Wärmeisolierung umgebenen Reaktionsgefäß besteht, welches in seinem unteren Teil von einer Gaseinlaßvorrichtung zur Zuführung und Verteilung des Gases über den gesamten Gefäßquerschnitt abgeschlossen ist und in seinem oberen Teil eine Gasauslaßvorrichtung sowie ein über der Gaseinlaßvorrichtung aufgeschüttetes Wirbelbett und mindestens zwei gegebenenfalls von einer Isolierung umgebene Elektroden für die Stromzuführung enthält, von denen mindestens eine von oben in die Kammer eingeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß um jede von oben in das Reaktionsgefäß eingeführte Elektrode (z. B. 28) eine gasdichte elektrische Isolierung (33) angeordnet ist, welche die Elektrode an der Stelle ihres Eintritts in das Reaktionsgefäß (20, 21) umgibt und außer dem Wirbelschichtbett (23) die einzige Verbindung zwischen der Elektrode (28) und der wärmeisolierten Gefäßwandung(20, 21) darstellt. und daß eine von der Isolierung (33) getrennte Strahlenabschirmung (29) zwischen der Isolierung und dem Wirbelschichtbett (23) so angeordnet ist, daß keine Wärmestrahlen von dem Wirbelschichtbett direkt auf die Isolierung auftreffen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (z. B. 27) in den unteren Teil des Reaktionsgefäßes (20) und eine zweite Elektrode (28) in den oberen Teil desselben eingeführt ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil (30) der von oben in das Reaktionsgefäß eingeführten Elektrode (28), der mit der elektrischen Isolierung (33) in Berührung steht, in an sich bekannter Weise durch den Umlauf eines Kühlmittels gekühlt wird und daß die Strahlenabschirmung von einer wärmeisolierenden Lochplatte (29) gebildet wird, welche nahe dem oberen Gefäßende angeordnet ist und deren Lochdurchmesser größer als der Elektrodendurchmesser ist, wobei diese Öffnung gegenüber der Isolierung (33) und dem gekühlten Elektrodenkopf (30) so angeordnet ist, daß die Wärmestrahlung von dem Wirbelschichtbett (23) durch die Öffnung in der Lochplatte auf den gekühlten Elektrodenkopf auftrifft.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden (15) in dem oberen Gefäßteil eingeführt sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsabschirmung aus zwei an den Elektroden (15) befestigten Schilden (19) und aus einem dritten, an der Gasauslaßleitung (14) befestigten Schild (18) besteht und daß diese Schilde weder untereinander noch mit anderen Elementen der Vorrichtung in Berührung stehen und zusammen eine die gesamte Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes überdeckende Abschirmung bilden.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 188 590, 367 447, 457 179; USA.-Patentschriften Nr. 1 857 799, 2 398 443, 2 475 607, 2 799 640, 2 978 315; U 11 m a n n, Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, Bd. 1, S. 869, 870.