DE1542238C3 - Wirbelschichtreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor mit mehreren sich erweiternden, in den Wirbelschichtraum mündenden Kammern, die am verjüngten, dem Wirbelschichtraum abgewandten Ende ein Zuführungsrohr für Verbrennungsluft mit einem in dessen Achse angeordneten Brennstoffinjektor aufweisen.

Es ist bereits bekannt, Eisenerz in der Wirbelschicht aufzubereiten, wobei die Verbrennungsluft, die unten in einen Wirbelschichtofen durch Roste eingeführt wird, die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs, der direkt in die Wirbelschicht eingeblasen wird, bewirkt. Hierbei kann der Druckverlust der Luft beim Durchgang durch die Roste nicht verändert werden, so daß die große Gefahr eines Verstopfens der Roste durch das Erz besteht. Außerdem befindet sich der in die Wirbelschicht eingeblasene Kohlenwasserstoff einen Augenblick in unmittelbarem Kontakt mit den Feststoffteilchen, wodurch unverbrannte Bestandteile gebildet werden und als Rußschicht die aufgewirbelten Teilchen umhüllen, die um so schwieriger aufzubereiten sind. Schließlich verrußen die unverbrannten Bestandteile den Wirbelschichtofen und rufen Störungen bei der Behandlung des aufgewirbelten Produkts hervor.

Weiterhin ist es aus der deutschen Patentschrift 1141934 bekannt, bei der Aufbereitung von blähfähigem Gut ohne Roste zu arbeiten und die Wirbelschicht unmittelbar vom Brenngasstrom tragen zu lassen. Gemäß deutscher Auslegeschrift 1091091 sowie USA.-Patentschrift 2835483 wird der Gasstrom in das Wirbelbett eingeführt, wo er sich entzündet, und zwar brennt im erstgenannten Fall die Flamme in die Wirbelschicht hinein und im anderen Fall werden zunächst Brennstoff und Sauerstoff gemischt und brennen dann sofort beim Eintritt in die Brennkammer. Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschichtreaktor zu entwickeln, in dem nicht nur ein besonders inniges Vermischen von Brennstoff und Sauerstoffträger erfolgt, indem man den letzteren in eine drehende Bewegung versetzt, sondern in dem auch die Geschwindigkeit des Gemisches durch Vergrößerung des Durchgangsquerschnittes des Gemisches verringert wird, bis sie höchstens der Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung gleich ist, um die Verbrennung in der Wirbelschicht zu bewirken.

Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Wirbelschichtreaktor mit mehreren sich erweiternden, in den Wirbelschichtraum mündenden Kammern, die am verjüngten, dem Wirbelschichtraum abgewandten Ende ein

ίο Zuführungsrohr für Verbrennungsluft mit einem in dessen Achse angeordneten Brennstoffinjektor aufweisen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die sich erweiternden Kammern den unteren Teil des Reaktorraumes bilden, in den ein Feststoffeintrag mündet, und daß im Inneren des Zuführungsrohres für Verbrennungsluft vor einem Kammereintrittskanal ein gegen den als Ventilsitz ausgebildeten Kammerboden verschiebbarer Ventilkörper angebracht ist, der an seinem Kopfende den mit konzentrischen Brennstoff sowie Zerstäubungsluft-Zuleitungen versehenen und als Zerstäuberdüse ausgebildeten Brennstoffinjektor aufweist.

Der Brennstoff injektor besteht aus einem den Brennstoff aufnehmenden und an den Boden des Reaktorraumes, mit dem er durch eine Öffnung verbunden ist, angesetzten Hohlkörper. Der Eintrittskanal für das Gemisch aus Brennstoff und Luft ist zwischen den sich ausweitenden Kammern und dem Injektor angeordnet, um das Gemisch zu homogenisieren. Der Ventilkörper ermöglicht die Veränderung des Druckverlustes in dem Zuführungsrohr für Verbrennungsluft und demzufolge der Verteilung des Gemisches im Reaktorraum. Die sich erweiternden Kammern des Reaktorraumes stellen Kegelstümpfe mit einem halben Winkel am Gipfel zwischen 10 und 60°, vorzugsweise von etwa 30° dar. Zweckmäßig ist in der Wirbelzone des Reaktors wenigstens ein Rost zum Zerteilen von Blasen, die durch die Verbrennungsgase in der Wirbelschicht gebildet werden, angeordnet.

Wie bereits erwähnt, entzündet sich das Brennstoff-Luftgemisch, wenn seine Geschwindigkeit die Geschwindigkeit der Flammenfortpflanzung erreicht hat. Wie hoch jedoch die Geschwindigkeit des Gasgemisches auch ist, so ist sie stets so groß, daß die Fest-Stoffteilchen in der Schwebe bleiben und nicht auf den Boden der sich erweiternden Kammern fallen können. Dies hat zur Folge, daß während des Betriebes der gesamte untere Teil des Reaktorraumes frei von Feststoffteilchen bleibt, kein Verstopfen eintreten kann und Roste überflüssig sind.

Das aufgewirbelte Produkt schwebt im Reaktorraum in einer Zone, in der die Geschwindigkeit des sich entzündenden Gases genügt, um die Teilchen in der Schwebe zu halten. Die Entzündung findet in allen Fällen in der Wirbelschicht selbst statt, deren untere Grenze im oberen Teil der sich erweiternden Kammern liegen kann. Die Wirbelschicht nimmt jedoch im wesentlichen eine hieran angrenzende Zone ein, die zumindest in ihrem unteren Teil eine sich leicht ausweitende Form haben kann und eine weitere Verringerung der Geschwindigkeit der entzündeten Gase ermöglicht, wodurch das Mitreißen von Feststoffteilchen nach oben leichter vermieden wird. Auf diese Weise gelingt die Bildung einer sehr stabilen Wirbelschicht.

In dieser Wirbelschicht treffen Verbrennungsgase und Teilchen zusammen, wodurch die gewünschte chemische oder physikalische Behandlung erreicht

wird, beispielsweise die Reduktion von Hämatit (Fe₂O₃) zu Magnetit (Fe₃O₄). Die gebrauchten Verbrennungsgase entweichen anschließend in bekannter Weise durch den oberen Teil des Reaktors, während die Feststoffteilchen in bekannter Weise abgezogen werden.

Von Vorteil ist weiterhin, daß der Druckverlust der Verbrennungsluft verändert werden kann, auch wenn sie in konstanter Menge zugeführt wird. Dies ermöglicht eine Veränderung der Verteilung des Gemisches in den sich erweiternden Kammern und die Anpassung dieser Verteilung an das pulverförmige Material in einer solchen Weise, daß bei Verwendung mehrerer Injektoren eine vollkommene Stabilität der Wirbelschicht erzielt wird. Dies wird erreicht, indem vor dem Eintrittskanal ein bewegliches Ventil angeordnet ist, durch dessen Bewegung der Querschnitt der Öffnung verändert werden kann.

Das Vermischen von Luft und Brennstoff wird durch Rillen in der Zerstäuberdüse sichergestellt, die das Gas in eine kreisende Bewegung versetzen, die das Vermischen der Luft mit dem Brennstoff erleichtert und beschleunigt. Der Brennstoff kann gasförmig oder flüssig sein, ist er flüssig, erfolgt das Zerstäuben mit Hilfe eines Gases, und die so zerstäubte Flüssigkeit kann ebenfalls in eine kreisende oder spiralförmige Bewegung versetzt werden, um ihr Vermischen mit der Luft zu erleichtern.

Um das sogenannte »Brodeln« der Verbrennungsgase in der Wirbelschicht und damit die Verkleinerung der Berührungsfläche zwischen den Gasen und dem pulverförmigen Material zu verhindern, wird wie bereits erwähnt, in der Wirbelschichtzone wenigstens ein Rost angeordnet, der aus Metall bestehen kann und die Aufgabe hat, die Blasen zu zerteilen und wieder normale Berührung zwischen den Verbrennungsgasen und den zu behandelnden aufgewirbelten Feststoffteilchen herzustellen. Dieser Rost kann vorteilhaft aus Nickel bestehen, das in gewissen Fällen gleichzeitig als Katalysator dient. Der Wirbelschichtreaktor wird nachstehend im Zusammenhang mit den Abbildungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht des Wirbelschichtreaktors gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ausführlicher einen Teil des Kammerbodens und den Brennstoffinjektor als Schnitt durch eine Ebene senkrecht zur Ebene von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den oberen Teil des Injektors und den mit Rillen versehenen Ventilkörper, der gegen den Kammerboden des Reaktors verschiebbar ist.

Dieser Wirbelschichtreaktor dient beispielsweise dazu, pulverförmiges Eisenerz, das einer magnetisierenden Röstung, d.h. einer Teilreduktion von Fe₂O₃ zu Fe₃O₄ unterworfen wird, in eine Wirbelschicht zu überführen. Dem Wirbelschichtreaktor 1 wird mit Hilfe von vier Injektoren 2 ein Gemisch aus vorgewärmter Luft und zerstäubtem Heizöl zugeführt. Diese vier gleichen Injektoren sind in Fig. 2 in größerem Detail dargestellt. Das Gasgemisch tritt durch die Kanäle 3 und die sich erweiternden Kammern 4 in Form von Kegelstümpfen, deren halber Winkel am Gipfel 30° beträgt, und in denen die Entzündung des Gemisches beginnt, in den Boden des Reaktors ein. Die Entzündung und die Verbrennung setzen sich in den Kegelstümpfen 5a, 5b, Sc und Sd fort, die mit den Rosten 6 und 7 zum Zerteilen von Gasblasen versehen sind. Das gemahlene Erz wird in den Kegelstumpf 5a durch den Feststoffeintrag 8 eingeführt und durch die Verbrennungsgase aufgewirbelt. Auf diese Weise bildet sich eine Wirbelschicht 9. Das behandelte Erz wird durch eine Leitung 10 abgezogen, während die Verbrennungsgase durch eine Leitung 11 entweichen, die im oberen Teil des Reaktors 1 beginnt.

Der Reaktor weist Wände 12 aus feuerfesten Steinen auf, während der Boden des Reaktors mit Isoliersteinen 13 aus Diatomit bedeckt ist.

ίο Fig. 2 zeigt in größerem Detail einen Teil des Reaktorbodens und einen Injektor 2, aber in einer Ebene senkrecht zur Ebene von Fig. 1. In dieser Abbildung sind die bereits in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Teile ebenfalls dargestellt und mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Der Injektor 2 ist am Boden des Reaktors 1 mit einem Flansch 14 und Schrauben 15 befestigt. Er weist einen Hohlkörper 16 auf, in dessen Achse konzentrisch ein Führungsrohr 17, eine Zuleitung 18 für Zerstäubungsluft und eine Zuleitung 19 für das Heizöl angeordnet sind. Das Heizöl wird mit Hilfe der Zerstäuberdüse 20 zerstäubt, die deutlicher in Fig. 2 und 3 erkennbar ist. An das Rohr 17 ist ein Ventilkörper 21 geschweißt, der sich gegen den Kammerboden 22 legen kann, der als Ventilsitz ausgebildet ist. Dem Hohlkörper 16 wird die Verbrennungsluft durch die Leitung 23 und das Rohr 24, das mit Flanschen 25 und 26 und Schrauben 26a am Körper 16 befestigt ist, zugeführt. Eine Kapsel 27 mit balgförmigen Teilen, die frei auf dem Rohr 17 gleiten kann, verhindert, 30 an einem Bügel 29 befestigt ist. Der Bügel 29 gleidaß Luft nach unten entweicht. Das Rohr 24 ist fest mit einem Gegenflansch 28 verbunden, der mit Bolzen tet auf dem Führungsrohr 17. Ein Gegenflansch 31, der auf dem Bolzen 30 gleitet, ist am Rohr 17 befestigt und ermöglicht die Bewegung des Ventilkörpers 21 mit Hilfe eines Betätigungsorgans, das aus einer Kapsel 32 mit Balgteilen besteht. Rückstellfedern 33 wirken der Kapsel 32 entgegen. Wenn die öffnung 34 zwischen dem Ventilkörper 21 und dem Kammerboden 22 geöffnet werden soll, läßt man Druckluft durch eine Leitung 35 in die Kapsel 32 eintreten. Die Kapsel

, 32 dehnt sich aus, und diese Bewegung wird auf den Gegenflansch 31 übertragen, der das Rohr 17 mitnimmt. Dieses Rohr bewegt sich ebenso wie der fest damit verbundene Ventilkörper 21 nach unten, und die Öffnung 34 vergrößert sich. Läßt man die Luft aus der Kapsel 32 entweichen, wird das Rohr 17 und mit ihm der Ventilkörper 21 durch die Rückstellfedem 33 nach oben bewegt, wodurch der Ventilkörper 21 die Öffnung 34 verkleinert oder verschließt. Ferner ist ein Rohrstutzen 36 vorgesehen, der es ermöglicht, vor Beginn der Wirbelschichtbehandlung den Hohlkörper 16 vollständig von Erz freizublasen.

In Fig. 2 ist außerdem der Rost 6 dargestellt, der aus den Roststäben 6a besteht, die parallel zu den Seiten des Rostes verlaufen und an den Rändern einen größeren Abstand haben als in der Mitte. Der Rost 7 besteht aus den Stäben Ta, die parallel zur Diagonale des Rostes verlaufen und gleichmäßigen Abstand haben.

Fig. 3 zeigt in größerem Detail den oberen Teil eines Injektors 2 mit einem Ventilkörper 21, der gegen den Kammerboden 22 verschiebbar ist. Sekundäre Verbrennungsluft gelangt durch die ringförmige öffnung 34 und durch die in den Ventilkörper eingearbeiteten Rillen 37, die der Luft eine kreisende Bewegung verleihen und das Vermischen mit der Luft

begünstigen, in den Kanal 3. Die Bildung dieses Gemisches wird außerdem durch Zerstäuben von Heizöl durch Primärluft in der Zerstäuberdüse 20 bekannter Bauart mit äußeren schraubenförmigen Rillen erleichtert, die im Innern des Fußes angeordnet, aber in der Abbildung nicht dargestellt ist, um diese nicht unübersichtlich zu machen.

Die Arbeitsweise des Wirbelschichtreaktors ist sehr einfach. Bei der Inbetriebnahme wird das Innere des Reaktors 1 mit Hilfe eines äußeren Brenners, z.B. eines Propanbrenners, auf eine Temperatur von etwa 500° C vorerhitzt. Ist diese Temperatur erreicht, werden die Injektoren 2 in Gang gesetzt. Hierbei bilden sich im Reaktor Flammen, die durch Regelung des Druckverlustes in den ringförmigen Öffnungen 34 jedes Injektors eingestellt werden. Anschließend wird das Erz durch den Feststoffeintrag 8 in den Reaktor eingeführt, in dem es durch die in der Schicht 9 entzündeten Gase aufgewirbelt und behandelt wird. Die Verbrennungsgase entweichen durch die Leitung 11, während das behandelte Erz durch die Leitung 10 abgezogen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wirbelschichtreaktor mit mehreren sich erweiternden, in den Wirbelschichtraum mündenden Kammern, die am verjüngten, dem Wirbelschichtraum abgewandten Ende ein Zuführungsrohr für Verbrennungsluft mit einem in dessen Achse angeordneten Brennstoffinjektor aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die sich erweiternden Kammern (4) den unteren Teil des Reaktorraumes bilden, in den ein Feststoffeintrag (8) mündet, und daß im Inneren des Zuführungsrohres (2) für Verbrennungsluft vor einem Kammereintrittskanal (3) ein gegen den als Ventilsitz ausgebildeten Kammerboden (22) verschiebbarer Ventilkörper (21) angebracht ist, der an seinem Kopfende einen mit konzentrischen Brennstoffsowie Zerstäubungsluft-Zuleitungen (18,19) versehenen und als Zerstäuberdüse (20) ausgebildeten Brennstoffinjektor aufweist.