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Behandlungsvorrichtung fUr fluidisierte Materialien Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum DurchfUhren von Reaktionen in einer Masse
fluidisierter Teilchen. Inabesondsre btrifft die Erfindung einen Reaktor fUr Reaktionen
wie solche, die innerhalb der fluidisierten Masae eine starke Wärmeerzeugung verlangen,
Reaktionen, in denen die Substanzen vorübergehend haftend werden, wodurch eine Zusammenballung
der Teilchen hervorgerufen wird undReaktionen, die zu hohe Temperaturen erfordern,
als dass Metallteile in Kontakt mit der fluidisierten Masse verwendet werden kUnnen.
Obgleich nicht darauf beschränkt, ist der neue Reaktor insbesondere fUr grosse Durchmesser
geeignet, um Reaktionen in einer fluidisierten Masse von solcher Tiefe in Besug
auf den Reaktordurchmesser durchzuführen, dass eine hohe Belüftungageachwindigkeit
erforderlich ist und dass man sich nicht auf eine horisontale Turbulens in der Masse
verlassez kann, um die notwendige Vermischung von Brennstoff und Luft in der Masse
su bewirken. Jeu Merkmale des Reaktora ermöglichen es, die stöchiometrische Brennstoffmenge
auf der Basis der Belüftungssauerstoffgeschwindigkeit innerhalb der Masse und ohne
massgebliches Brennen des Brennstoffes oberhalb der Mäeae su verwenden. Ale folge
ergibt sich eine maximale Wlrmefroiaetzung innerhalb der Xaeae in verbindung mit
t einem hchen
Reaktorergebnis und hoher Brennstoffwirtachaftlichkeitc
Der neue Reaktor lässt sich zur Durchführung von Reaktionen verschiedener Art verwenden,
von denen das Klinkern von Portlandzement-Rohmaterialien und das Entfluorisieren
von Phosphaterzen typisch sind. Da alle Vorteile der Erfindung in Form eines Reaktors
zur Herstellung von Zementklinker erreicht wSrden, wird ein solcher Reaktor nachfolgend
beispielsweise erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht des Rektors.
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Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und Fig.
3 eine Toilschnittansicht des Rostes oder Gitters.
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Der neue Reaktor, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, besteht
aus einem Behälter 10, der eine Metallschale 11 und eine feuerfeste Auskleidung
12 aufweist. Der Hauptteil 13 des Behälters ist vorzugsweise zylindrisch mit vertikaler
Aches und weist einen oberen konischen Abschnitt 14 auf, der s oberen Auslass 15
fUr die Abgase führt. Am unteren Ende hat die Schale einen inneren Flansch 16, der
auf einer Anzahl Trdger 17 ruht, die den Reaktor in der gewünschten Hbhe abstützen.
Der Behälter weist einen oder mehrere Materialauslässe 18 in Form von Rohren auf,
die in Öffnungen in der Schale und in durch die Auskleidung von den Öffnungen her
nach innen tllrenden Kanälen befestigt sind. Wenn der Behälter mehr als einen dieser
auslässe hat, befinden sie sich auf verschiedenen Höhen und können regelmässig winkelmässig
um die Achse des Behälters versetat sein.
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Die Auslässe sind mit Klappenventilen 19 versehen, so dass die Ausgabe
des erzeugten Produktes kontinuierlich oder intermiflirrend sein kann. Wenn notwendig,
kbnnen die AuslSsse wassergekuhlt sein, um sie vor zu hoher Erwarmung zu schutzen.
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Das untere Ende des Behälters ist durch einen Rost 20 geschlossen,
der ein Bett 21 fluidisierten Materials trägt und aus bei hoher Temperatur schmelzendem
keramischen Material bekannter Art bestehto Der Rost ist im Querschnitt bogenfbrmig
und hat einen nach unten gerichteten Umfangaflansch 22. Er weist weiterhin eine
Vielzahl dicht benachbarter Luftkanäle. 23 auf, die im Durchmesser nach oben abnehmen
und vorsugsweise eine Verjüngung von 2 m bis 4 mm auf 100 mm Lange bei einer oberen
Offnung von 9, 5 mm bis 19 ma Durchmesser haben. Bin Metallring 24 umfast den Rost
abdichtend und verstärkt ihn.
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Unter dem Rost befindet sich eine Luftkammer 25, die eine Metall-
@ echale 26 mit. einer Isolierauskleidung 27 besitzt. Die Kammer erweitert sich
konisch nach oben und besitzt an ihrem unteren Inde einen Einlass 28 mit einem Mannloch
26a und einer seitlichen Verlängerung 29, die einen Stirnflanch 30 hat, womit die
Verlängerung an ein Luftzufuhrrohr 31 angeschloseen werden kann, des einen entsprechenden
Flansch 32 besitst. Die Luftkaamer ist mit mehreren Travereen 33 auagestattet, die
auf ähnlichen Traversen 34 ruhen, welche an den Säulen 17 befestige sind und die
Xammer tragen. Die Schale 26 der Luftkammer reicht unter den Flansch 22 am Rost,
so dass dieser von den SEalen abgestützt wird.
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Rohmaterial wird in das Bett auf dem Rost durch mehrere Zufuhrleitungen
35 eingegeben, die sich duch die Schle der Lufktkammer hindurch, weiterhin durch
die Kammer hindurch und durch den Rost hindurch in die Öffungen des Rostes hinein
erstirecken, Die Zahl der verwendeten Zufuhrrohre hängt vom Durchmesser des Reaktors
ab. Bei einem Reaktor mit kleinem Durchmesser kann ein einziges Zufuhrrohr in der
Mitte des Rostes verwendet werden. Der dargestellte Reaktor int mit vier Zufuhrrohren
versehen. Diese Zahl ist bei einem Reaktor mittlerem Druchmesser, wie 5 = 6 m Durchmesser,
angemessen, Die Rohre sind in gleichen Winkelabständen angeordnet, wobei sich in
Jele Quadranten der Rostfläche ein Rohr befindet. In allen Fällen sind die Zufuhrrohre
im Mittelbereich des Rostes angeordnet und befinden sich in erheblichem Abstand,
mindestens im Abstand von 1, 20 m von der Reaktorwandung. Die fluidisierte Masse
wird auf dem Rost bei Betriebsbeginn des Reaktors gebildet, indem die fluidisierten
Massenteilchen durch das Einlasarohr 36 hindurch zugeführt werden, welches sich
durch die Wandung des konische Abschnittes 14 des Reaktors erstreckt und mit einem
Steuerventil 37 versehen ist.
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Der Brennstoff wird in das Bett durch, mehrere Rohre 38 eingegeben.
die sich durch die Schale der Luftkammer hindurch durch das Innere der Kammer hindurch
und in die Öffnungen des Rostes. hindurch und in dieses hinein erstrecken. tTm sicherzustllen,
dass alle Teile des Bettes mit Brennstoff auereichend versorgt werden, ist eine
relativ grosse Anzahl an Brennßtoffrohren vorgesehen.
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Diese Zahl ist abhängig vom Durchmesser des Reaktors, der Tiefe des
fluidisierten Bettes und der Art des verwendeten Brennstoffs.
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Wenn also eine Rektor mit gasförmigem Brennstoff beheizt wrid, sollte
ein Brennstoffrohr für jeweisl 0,7 ... 0,9 m2 Reaktorquershnittsfläche vorgesehen
sein, wenn das Bett etwa 1, 8 m tief ist, während ein Reaktor mit einem Bett derselben
Tiefe, jedoch mit O1 befeuert, eine geringere Zahl an Brennstoffrohren erfrodert.
Hier ist etwa ein Rohr fUr jeweils 1, 3 m2 ... 2,7 m2 Raktorquerschnittsfläche im
allgemeinen angemessen. Wenn pulverförmige Festbrennatoffe, wie Kohle oder Koks,
benutst werden, kann die Zahl der Brennstoffeinspritzpunkte weiterhin herabgesetzt
werden. Dies beruht wahrschinlich darauf, dass die festen Brennstoffteilchen einen
Teil der fludieierten Masse werden und wthrend des Brenens stark bewegt werden.
Wenn die Zuführmaterialien und der Brennstoff beide fein verteilte Festkörper sind,
kann as günstig sein, Brennstoff- und Zufuhrmaterialien su kombinieren und das Oemiach
an einer Ansahl Punkten, wie .) beispielsweise an 8 Punkten bei einem Reaktor von
etwa 6 m Durchmesser, sinzublasen, Veine solche Anordnung erfordert mehr Binführpunkte
fUr da Welsch, als wenn nur die Zufuhrmaterialien allein eingegeben werden, jedoch
entfallen alle oder beinahe alle davo getrennte Brenstoffrohre, Weiterhin kann die
Au8-rüstung zum Einblaaen der Zufuhrmaterialien auch dazu dienen, den pulverformigen
Bronnotoff einzugeben.
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Der dartestellte Reaktor ist mit 12 Brennstoffrohren 38 vergehen,
di in drei konzentrische Gruppen angeordnot aind, wobei dia Glieder der inneren
Gruppe an einen kreisförmigen Verteiler 39 augeschlossen, sind, der durch ein mit
einem Stouers ntll 41
versehenes Rohr 40 versorgt wird. DieRohre
der mittleren Grappe sind an eineri Verteiler 42 angeschlossen, der aus einem, ebenfalls
mit einem Steuerventil 44 versehenen Rohr 43 gespeist wird, wahrend die Rohre der
äusseren Gruppe am Verteiler 45 hängen, der über das Rohr 46 mit dem Steuerventil
47 gespeist wirdc Beim Betrieb des Rektors wird vorgewärmte Luft in die Luftkammer
25 durch das Rohr 3 eingeführt. Die Teilchen, die eine. fluidesierte Masse ergeben
sollen, werden durch das Rohr 36 zugeführt.
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Die Luft, die zuletzt durch Wärme aufgeheizt. wird, welche durch Wärmeaustfausch
von den den Rektor verlassenden Abgasen gewonnen wurden, fluidisiert das auf dem
Rost gebildete Bett. Wen die Masse die Brennstoffzündtemperatur erreicht, wird Brennstoff
durch die Brennatoffrohre 38 in die Masse eingegeben. Die Brennstoffzufuhr wird
allmälhich gesteigert, wenn die Masse glühend wird. Wenn die gewünschte Reaktionstemperatur
erreicht ist, wird Zufuhrmaterial durch die Zufnhrrohre 35 in die Masse eingeführt.
Die TfefedeaBetteahangtvon der Menge de ursprünglich zugeführten Materials, der
Zufuhrgeschwindigkeit und der Rahe der geöffneten Produktausläese oberhalb des Robots*
ab.
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In Reaktoren von mittleren und grossem Druchesser, beispielsweise
4, 5 m... 15 m, kann die Tiefe der fluidieiserten Masser nicht mehr ale 1,2 m ...
3 m betragen. Wenn die Reaktionen bei einer groben Teilchen-Grössenverteilung druchgeführt
werden, wie bein Klinkern von Portlandzement-rohmaterilaine, Bntfluerisieren von
Phosphaten usw., verlagt der Betrie eine hohe Belüftungsgeschwidikeit, um die richtige
Fludität der Massenteilohen aufrcht su erhalten.
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In diesen Fällen tritt das Belüftungegas, das gewöhnlich Luft oder
mit Sauerstoffa gnereicherte Luft ist, in die Masse am Boden durch den. Rost ein
und wandert druch die Tasse in weniger als 2 oder 3 Sekunden und häufig in nur einen
Bruchteil einer Sekunde nach oben. Wenn der Brennstoff in eine derart fluidisierte
Masse durch die Wandung des Reaktors hindurch, wie es bisher Liblich eingegeben
wird, ist es nicht mbglich, dass sich Brennstoff und Luft im Mittelteil der Masse
verbinden. Wenn Brennstofa in stöchiometrischer Menge zugeführt wird, tritt eine
Verbrennung mit ungenügender Luftmenge im Umfangsabschnitt der Masse auf und teilverbrannter
Brennstoff verbindet sich oberhalb der Masse mit aus der Mitte der Masse austretender
Luft, so dass oberhalb der Masse Flammen und sher hohe Temperaturen auftreten und
die Wärmeentwicklung innerahlb der Masse verringert wird. Um die beschribenen Zustände
zu vermeiden, ist es notwendig, die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr su verringern,
woraus sich ein Betrieb mit Luftüberschuss ergibt.
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Die Folge ist eine geringere brennstoffausntzng und eine verringerte
Reaktorkapasität. Dieselben unerwüschten Bedingungen ergeben sich, wenn Brennstoff
in die fluidisierte Masse an Punkten eingegeben wird, die su weit voneinander entfernt
liegen, so dass grosse Abschnitte der Masse nicht mit Brennstoff versorgt werden.
Die erwghnten Bedingungen treten lamer in groseen Reaktoren auf, in welohen der
Brennstoff in die Misses durch die Reaktorwandungen hindurch eingegeben wird und
Mitnen auch bei anderen Brennstoffeufuhranordnungen vorhanden sein, die nicht besonders
auf die dargelegten Erfordernisee abgestellt sind.'
Bei dem Reaktor
gemäss der Erfindung wird der Brennstoff in die fluidisierte Masse am Boden und
an relativ dicht benachbarten Punkten eingeführt, co dass Brennstoff und Luit durci
die horizontale Turbulenz innerhalb der Masse sich in der gesamten Masse vermischen.
Daraus ergibt sich, dass eine im wesentlichen vollständige Verbrennung innerhalb
der Masse eintritt, sogar wenn die Brennstoffmenge dicht an der stöchiometrischen
Menge liegt, und zwar auf der Basis des Sauerstoffgehaltes der in die Masse eingegebenen
Luft, Als Folge tritt kein Brennen im Reaktor oberhalb der Masse ein.
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Beim Betrieb von Reaktoren mit derartigen fluidisierten Betten ist
gefunden worden, dass das Material im Bett dicht benachbart und in Berührung mit
der Reaktorwand kaum fluidisiert ist, sondern anstatt dessen Schüttgut ist, das
entlahg der Wand allmählich abfällt, bia es den Boden der Wand erreicht, worauf
das Material sich einwärts über den Rost bewegt und in die fludieisierte Masse getrieben
wird. Wenn die Reaktion so ist, dass sich sogar ein geringer Grad an Haftung in
Zufuhrmaterial in der Zeit zwischen seiner Zufuhr und der Bildung des Endproduktes
entwickelt, ist das Schüttgut, das längs der Wandung des Reaktors in der herkömmlichen
Bauweise abfällt, eine Quelle von Betriebischwierigkeiten. Solches Haften, das wdhrend
des Verlaufea der Reaktion eintritt, aber weder beim Zufuhrmaterial noch bei Endprodukt
vorhanden ist, set ein typisches Merkmal einer Ansahl Reaktionen, wie das Umwandeln
von Zement-Rohmaterialien in Klinker, Entfluorisieren von Fhoaphatgeßtein, während
maximale Wasaerlöalichkeit der Phosphate erhalten bleiben usw.
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Wenn das Zwiachen-Haftstadium in dem Schüttgut längs der Reaktorwände
auftritt, kann sich das Material susammenballen und an der Reaktorwand haften bleiben,.
mit dem Ergebnis, dass das material unbeweglich wird. Der fluidisierte Teil des
Bettes kann dann allnahlich zur Mitte zurückweichen, bis ein zufriedenstellender
Betrieb nicht länger aufrecht erhalten werden kann.
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Das auf cas Entstehen des Zusammehanftens oder des Zusammenklebens
in der fludidisierten masse zuräckgehende Problem wird in dem Rektor gemäss der
Erfingung dadruch gelöst, dass die Zufhrmaterialien durch den Rost an einem oder
mehreren Punkten zugeführt werden, aie in einem Mittelberiech des Rostes liegen
und einen wesentlichen Abstand von mindestens 20 20 m von der Reaktorwand haben.
Wenn das Material auf diese'Weise eingeführt wird, wird es sofort in dem allgemeinen
mittleren Aufwärtsstrom der Teilchan von dem Rost durch die Nasse mit nacjh oben
geführt, wonach die Zufuhrteilchen an der Oberschicht der Masse nach aussen zur
Wand hin wandern und sich dann nach unten zum Rost bewegen, wo sien Einwärtströmung
zur Mitte des Rostes auftritt.
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Obgleich daa Material benachbart der Wendung teilweise oder gans entrludiesert
wird, was auf die Tendez des Belüftungsbasses sur Achse des Bettes hin zu strömen
und den Effekt der Wand selbst, eine Bewegunsolosigkeit hervorzurufen, zurückgeht,
milasen beim Reator gemäss der Erifndiung die durch einen Mittelbereich des Rostes
und in einem erheblichen Abstand von der Wandung eingefühte miteinander reagierenden
Mateialine die maximale Entfernung'nachobendurchdaßBettundna.shauMea zur Wand Wandern,
bevor sie ein Teil des Chüttgutes werden. d wich an der Wand nach unten bewegt.
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Während einer derartigen Aufwärts-und Auswärtsbewegung der Materialien,
gelangen sie durch den klebrigen Zustand hindurch und darüber hinaus, weswegen eine
Ansammlung von Schtittgut und Ankleben an der Wandung verzingert oder eliminiert
werden.
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Beim Betrieb einee Reaktore mit fluidisiertem Bett ist es wichtig
g dass die bel2ftungsgase gleichmässig durch den Rost wandern @ Dieses Ziel wird
bei dem Reaktor gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der Rost so konstruiert
wird, dass ein Druckabfall von atwa 25 % oder mehr des statischen Druckgefälles
der fluidisiertan Masse erforderlich ist, um die Gasedurch den Rost zu drücken.
Mit einem derartigen Druckgefalle wird der Effekt der momentanen Veränderungen im
statischen Druck an irgendeinem AbschnittdesRostes aufgrund der heftigen Turbulenzeigenschaft
von fluidisierten Festkdrperreaktionen, besonders solchen, die hohe Belüftungsatrömungsgeschwindigkeiten
und relativ grobe Teilchengrßasen-Verteilung mit sich bringen, auf ein Minimum herabgesetzt.
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Die Anordnung von Luftkanälen mit nach oben abnehmenden Querschnitten
im neuen Reaktor bringt mehrere Vorteile. Im Verlaufe der Reaktion treten wahrscheinlcih
Zusammehbabllugen von Teilchen auf. Anfangs sind die Teilchen in derartigen Zusammenballungen
nur locker miteinander verbunden. Die Stärke der Bindung nimmt mit der Zeit au.
Die Zusammenballungen neigen dazu, in der Kaeae nahe dem Rost su bleiben. DieWirkung
der mit hoher Geschwindigkeit in die Masse'durch die verjüngten Kanäle im rost eintrstenden
Luftströme bricht die Zusammenballugen auf und drückt sie
vom Rost
weg in den nach oben gerichteten Strom in die Masse hinein, as dass die zusammengeballten
Stücke den Produktauslass erreicnen können.
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Die Verjüngung der Belüftungslöcher im Rost verhindert ein Zusetzen
der Locher, wie diea bei herkömmlichen Löchern von gleichmässigen Druchmesser während
vorübergehender Verringerung oder vollkommenem Ausbleiben des Stromes an Belüftungemediüm
eintritt, wie das beim Ausfallen der Energieversorgung oder anderen Fehlern auftreten
kann. Darüber hinaus kann bei Ldchern mit nach untel zunehmendem Durchmesser die
fluidisierte Mass auf dem Rost durch den Rost ausgegeben werden, wean der Reaktor
abgeshcaltet und aus der LüftktMMer5durchawMannloch6aentleertwerden soll.