DE1542384A1 - Behandlungsvorrichtung fuer fluidisierte Materialien - Google Patents

Behandlungsvorrichtung fuer fluidisierte Materialien

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DE1542384A1 DE19661542384 DE1542384A DE1542384A1 DE 1542384 A1 DE1542384 A1 DE 1542384A1 DE 19661542384 DE19661542384 DE 19661542384 DE 1542384 A DE1542384 A DE 1542384A DE 1542384 A1 DE1542384 A1 DE 1542384A1
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Description

  • 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.
  • Es zeigt: Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht des Rektors.
  • Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und Fig. 3 eine Toilschnittansicht des Rostes oder Gitters.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Zahl ist abhängig vom Durchmesser des Reaktors, der Tiefe des fluidisierten Bettes und der Art des verwendeten Brennstoffs.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen in einer Masse fluidisierter Teilchen, mit einem, eine feuerfeste Auskleidung aufweisenden Behälter, der oben einen Gasauslass besitzt und unter dem sich, durch einen feue. rfesten Rost zur Lagerung einer Masse fester Teilchen getrennt, eine, an eine Druckluftquelle anschliessbar Luftkammer befindet und der in der Seitenwand mehrere Produktauslässe besitzt, dadruch gekennzeichnet, dass der Rost (20) eine Anzahl die Kammer (25) mit dem Behälter (10) verbindender Luftkanäle (23) aufweist und an mahreren Uber seine gesamte Flache verteilten Stellen Brennstoffzufuhrduchlässe (38) sowie in einem Mittelbereich der in wesentlichem Abstand von der Behälterseitenwandung liegt, Rohmaterialdurchlässe (35) besitzt.
  2. 2. Yorrtchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Luftkanäle (23) sich querschnittsmässig nach oben verjüngen
  3. 3. Vorrichtung nach Anepruch 2, dadurch gekennseichnet, dass die VerjUngung im Durchmesser der LuStkanZle (23) im Bereich von 2 ... 4 mm pro 100 mm Länge liegt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung der Luftkanäle einen Druchmesser im Bereich von 9, 5 ... 19 mm hat.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der AnsprUche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Rostes (20) und der Druck unter dem die zugeführte Luft steht, so aufeinander abgestimmt, sind, dass ein druckabfall am Rost (20) im Bereich von 0,035 ... 0,176 kg/cm2 der Rosfläche vorhanden ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadruch gekennzxeichnet, dass der Druckabfall im Bereich von 0,053 ... 0,105 kg/cm2 der Rostfläche liegt.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Asnprüche 1 - 6, dadruch gekennzeichnet, dass für je 0,7 ... 1,8 m2 Reaktorquerschnittsfläche ein Brenngawdurohlasa (38) vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadruch gekennzienchet, dass für je 1,3 ... 2,7 m2 Reaktorquerschnittefläche ein Brennflüssigkeitsdruchlass (38) vorgesehen ist. r.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der AnsprUche 1-8, dadurch gekennsoichnet, dame dis Produktauslässe (18) in unterschiedlichen Höhen über dem Rost (20) angeordnet sind.
  10. 10. Vorrichtung nach elles der Ansprüche 1 - 9 dadurch gekannzeichnet, dass der die Rohmaterialdurchlässe (35) aufweisendo Mittelbereioh des Rostes (20) von der Seitenwand des Behälters (10 einen Abstand von midestens 1,2 m
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