DE1783152B2

DE1783152B2 - Vortex grate

Info

Publication number: DE1783152B2
Application number: DE19641783152
Authority: DE
Inventors: Walter J. Long Island N.Y.; Moser jun. John F.; Carr jun. Jesse M.; Mayer Francis X.; Baton Rouge La.; Mayer Ivan Summit N.J.; Porter jun. (V.StA.)
Original assignee: Ausscheidung aus: 14 33 307 Exxon Research and Engineering Co., Linden, N.J. (V.St.A.)
Priority date: 1964-04-08
Filing date: 1964-04-08
Publication date: 1976-12-02
Also published as: DE1783152A1

Description

4040

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtrost für einen Wirbelschichtreaktor, bestehend aus einer Platte, in der in gleichmäßigen Abständen voneinander Gaszuführungsöffnungen vorgesehen sind, während für die Zufuhr der Feststoffe oberhalb der Platte eine Zuleitung angeordnet ist.The invention relates to a fluidized bed grate for a fluidized bed reactor, consisting of a plate, in which gas supply openings are provided at regular intervals, while for the supply of solids is arranged above the plate a feed line.

Ein derartiger Wirbelschichtrost ist bereits aus der britischen Patentschrift GB 7 40 974 bekannt. Bei diesem Rost neigen jedoch die feinteiligen Feststoffe dazu durch die Bohrungen der Platte zurückzuströmen und diese zu verstopfen, so daß die Wirbelschichteigenschaften des Bettes verlorengehen. Hierdurch wird es erforderlich, den Betrieb jes Wirbelschichtreaktors zu unterbrechen und die öffnungen wieder freizumachen oder aber durch eine beträchtlich erhöhte Gaszufuhrgeschwindigkeit die öffnungen freizublasen, womit ein beträchtlicher Bestandteil der Feststoffanteile mit dem Gasstrom fortgerissen wird. Um ein Zusetzen der Gaszuführungsöffnungen zu verhindern und die Fließbetteigenschaften des Bettes aufrechtzuerhalten, war es bislang erforderlich, die Wirbelschichtreaktoren mit den herkömmlichen Wirbelschichtrosten mit einer höheren Gaszufuhrgeschwindigkeit zu betreiben, als dies für die Reaktion innerhalb des Behälters erstrebenswert wäre. Dies führt dazu, daß die Verweilzeit des Gases im Reaktionsbereich mit den Feststoffen zu gering ist und sich somit nur eine unvollständige Reaktion bzw. ein schlechter Wirkungsgrad ergibtSuch a fluidized bed grate is already known from British patent specification GB 740974. at However, the finely divided solids tend to flow back through the holes in the plate and clog them so that the fluidized bed properties are lost. This is how it becomes required to interrupt the operation of each fluidized bed reactor and to clear the openings again or to blow the openings free by a considerably increased gas supply speed, which means a a considerable part of the solids content is carried away with the gas stream. To prevent the It was to prevent gas vents and maintain the fluidized bed properties of the bed previously required, the fluidized bed reactors with the conventional fluidized bed grates with a higher Operate gas feed rate than would be desirable for the reaction within the container. This means that the residence time of the gas in the reaction area with the solids is too short and there is therefore only an incomplete reaction or poor efficiency

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirbelschichtrost für einen Wirbelschichtreaktor der eiügangs genannten Art so zu verbessern, daß es möglich wird, auch bei geringen Gaszufuhrgeschwindigkeiten das Fließbett aufrechtzuerhalten und ein Verstopfen der Gaszuführungsöffnungen durch zurückfallende Feststoffbestandteile des Füeßbettes zu verhin-The invention is based on the object of the fluidized bed grate for a fluidized bed reactor to improve the aforementioned type so that it becomes possible to maintain the fluidized bed and a To prevent clogging of the gas supply openings by falling solid components of the footbed

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß auf der Unterseite der Platte an den Gaszuführungsöffnungen Rohrabschnitte angeordnet sind, bei welchen das Verhältnis von Länge zu lichtem Durchmesser im Bereich von 5 bis 40 liegt, während sich auf der Oberseite dir Platte Rippen befinden, deren Schrägflächen 30 bis 80^c zur Horizontalen geneigt sind und die jeweils Hohlräume in der Form einer umgekehrten Pyramide bilden, deren Spitze in den Gaszuführungsöffnungen liegt.This object is achieved according to the invention in that pipe sections are arranged on the underside of the plate at the gas inlet openings, in which the ratio of length to inside diameter is in the range of 5 to 40, while located on the top you plate fins whose Inclined surfaces 30 to 80 ^c are inclined to the horizontal and each form cavities in the shape of an inverted pyramid, the tip of which lies in the gas supply openings.

Es ist zwar bereits nach der amerikanischen Patentschrift US 28 50 808 bekannt, bei einem Zweibett-Wirbelschichtreaktor unterhalb der zwischen den beiden Betten liegenden Platte Siebrohrabschnitte anzuordnen, durch welche die Feststoff? zusammen mn dem Trägergas von dem unteren Bett in das obere Ben gefö-derl werden. Bei dieser Anordnung muß jedoch mit einer äußerst hohen Gasgeschwindigkeit gearbeitet werden, um die Förderung der Feststoffe entgegen der Schwerkraft zu bewerkstelligen. Damit ergibt sich bislang der Nachteil, daß Feststoffbestandteile durch den Gasstrom mitgerissen und aus dem Bett herausgefördert werden.It is already known from the American patent US Pat. No. 28 50 808, in the case of a two-bed fluidized bed reactor to arrange sieve tube sections below the plate lying between the two beds through which the solids? together mn the carrier gas from the lower bed to the upper bed be promoted. In this arrangement, however, an extremely high gas velocity has to be used to manage the conveyance of the solids against gravity. This results in hitherto the disadvantage that solid constituents are entrained by the gas stream and conveyed out of the bed will.

Es ist andererseits auch nach der amerikanischen Patentschrift US 30 16 624 bekannt, oberhalb der Platte Rippen vorzusehen, deren Schrägflächen Hohlräume in der Form einer umgekehrten Pyramide bilden, deren Spitze in der Düsenöffnung liegt. Hierdurch soll jedoch lediglich das gasförmige Strömungsmedium gleichmaßig auf den gesamten Querschnitt des Behälters verteilt werden. Es handelt sich hierbei nicht um einen Wirbelschichtreaktor im eigentlichen Sinne. Die Schichtdicke der Fesistoffbestandteile ist äußerst gering, womit auch das auf den Gaseintrittsöffnungen lastende Gewicht erheblich niedriger ist als bei den üblichen Wirbelschichtbetten, womit der nach der vorliegenden Erfindung zu behebende Nachteil des Verstopfens der Gaszul'ührungsöffnungen praktisch nicht vorhanden ist.On the other hand, it is also known from the American patent specification US 30 16 624, above the plate Provide ribs, the inclined surfaces of which form cavities in the shape of an inverted pyramid Tip lies in the nozzle opening. As a result, however, only the gaseous flow medium is intended to be uniform be distributed over the entire cross-section of the container. It's not one Fluidized bed reactor in the real sense. The thickness of the solid constituents is extremely thick low, which means that the weight on the gas inlet openings is considerably lower than that of the conventional fluidized bed, whereby the disadvantage of the present invention to be remedied Clogging of the gas supply openings is practically non-existent.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wirbelschichtrostes läßt sich auch bei großer oder üblicher Schichtdicke des Bettes bei geringen Gaszufuhrgeschwindigkeiten das Fließbett aufrechterhalten, ohne daß ein Verstopfen der Gaszuführungsöffnungen durch zurückfallende Feststoffbestandteile eintritt. Dieser Erfolg wird durch die Kombination der Bemessung der Rohrabschnitte unterhalb der Gaszuführungsöffnungen einerseits und der Rippen auf der Oberseite der Platte andererseits erzielt, wobei sich im Bereich der pyramidenförmigen Hohlräume seitliche Wirbelströme ausbilden, die an den Schrägflächen abgleitende Feststoffteilchen aufwirbeln und dem Fließbett wieder zuführen.The inventive design of the fluidized bed grate can also be used with large or conventional Layer thickness of the bed at low gas feed rates the fluidized bed is maintained without that clogging of the gas supply openings occurs due to solid constituents falling back. This Success is achieved through the combination of the dimensioning of the pipe sections below the gas supply openings on the one hand and the ribs on the top of the plate on the other hand achieved, being in the area of pyramid-shaped cavities form lateral eddy currents that slide on the inclined surfaces Swirl up solid particles and return them to the fluidized bed.

Es läßt sich somit selbst bei einer geringer GeszuführungsgeschwindigKeit auch bei einer großer Fließbettdicke ein dauerhafter störungsfreier Betrieh des Wirbelschichtreaktors erreichen, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich einzelne GaszuführungsöffnunIt can thus be used even with a low GeszuführungsgeschwindigKeit even with a large Fluidized bed thickness achieve a permanent trouble-free operation of the fluidized bed reactor without the There is a risk of individual gas supply openings

^Das Verfahren zum Betrieb des Wirbelschichtrostes *jfder Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein &* srgas mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 90 m pro nde in die Wirbelschicht eingeleitet wird. Vorzugs- > wird das Trägergas in die Wirbelschicht mit einer ß-sehwindigkeit von mindestens 30 bis 60 m pro >flnfflde durch die Rohrabschnitte mit einem Verhältnis Länge zu lichtem Durchmesser von 5 bis 10 und ^¥?ⁿ _ listen Düsendurchmesser von 25,4 mm eingslei- ^m _Nacjj fc;„er bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Trägergas durch Rohrabschnitte mit einem lichten Durchmesser von 2,54 bis 25,4 mm und inem Verhältnis von Länge zu lichtem Durchmesser on 10 bis 30 mit eher Geschwindigkeit von 7,6 bis 45 m ^ The method of operating the fluidized bed grate * jfder invention is characterized in that a * & srgas at a speed of 3 m to 90 is introduced into the fluidized bed per walls. Preferred -> the carrier gas enters the fluidized bed at a speed of at least 30 to 60 m per field through the pipe sections with a length to clear diameter ratio of 5 to 10 and ^¥ ? ⁿ _ list nozzle diameter of 25.4 mm eingslei- ^m _Nac jj fc; "he preferred embodiment of the method, the carrier gas through pipe sections having an internal diameter of 2.54 to 25.4 mm and INEM ratio of length to inside diameter on 10 up to 30 with a speed of 7.6 to 45 m

^AIs Trägergase können inerte Gase, luftreduzierende rase odei sonstige Gase verwendet werden, die rheinisch oder katalytisch mit den feintei^t;.gen Wirbelschichtfeststoffen reagieren sollen. Gemische aus Kohlenmonoxyd. Wasserstoff und Stickstoff werden bevorzugt. Die Feststoffe können selbst reagieren oder sie können Katalysatoren sein, die in der Wirbelschicht nktisch keine Veränderung erleiden. Temperatur und Druck spielen zwar eine Rolle, sie können jedoch variieren und jeweils auf das durchzuführende Verfahren abgestimmt sein. ^ As carrier gases , inert gases, air- reducing gases or other gases can be used, which rhenish or catalytically with the fine particles ^; .gen fluidized bed solids should react. Mixtures of carbon monoxide. Hydrogen and nitrogen are preferred. The solids can react themselves or they can be catalysts which do not undergo any change in the fluidized bed. Although temperature and pressure play a role, they can vary and be tailored to the process to be carried out.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt imIn the following, the invention will be based on a preferred embodiment with reference to FIG the drawings are explained in more detail. Shows im

^elI1p i g 1 eine schematische Darstellung einer Wirbelschichtvorrichtung, in der feinteilige Feststoffe in Wirbelzustand gehalten werden, ^elI1 pi g 1 a schematic representation of a fluidized bed device in which finely divided solids are kept in a fluidized state,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Wirbelschichtrost nach der Erfindung, . . .F i g. 2 is a plan view of the fluidized bed grate according to the invention. . .

Fig 3 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie AA der Fig. 2, der Wirbelschichtrostdüsen und die Einzelheiten der Bauart des Rostes dargestellt,3 shows a longitudinal section along the section line AA of FIG. 2, showing the fluidized bed grate nozzles and the details of the design of the grate,

Fig.4 eine schematische Darstellung, in welcher für einen bestimmten Düsendurchmesser die Gasgeschwindigkeit über dem Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düse aufgetragen ist und4 shows a schematic representation in which for a certain nozzle diameter the gas velocity over the ratio of length to diameter applied to the nozzle and

F i g. 5 eine der F i g. 4 entsprechende Darstellung tür einen geringeren Düsendurchmesser.F i g. 5 one of the F i g. 4 corresponding illustration door a smaller nozzle diameter.

Die Gasgeschwindigkeit. Gasdichte, die Korngröße und die Dichte der Feststoffe, bei denen die Wirbelschichten betrieben werden, hängen von dem jeweiligen Wirbelschichtverfahren ab. Das ausschlaggebende Merkmal der Bauart gemäß der Erfindung ist das Verhältnis der Länge des geradlinigen Teiles, nämlich der zylinderförmigen Bohrung der Düse zu der lichten Weite der Bohrung. Bei bestimmten Verhältnissen von Länge ■ Durchmesser werden vorzugsweise bestimmte minimale Trägergasgeschwindigkeiten angewandt, um die Rückströmung von Feststoffen zu verhindern. Die Trägergasgeschwindigkeit kann aber in Abhängigkeit von der Dichte des Trägergases und der Dichte und, Korngröße der feinteiligen Feststoffe innerhalb bestimmter Grenzen geändert werden. ^6υ The gas velocity. The gas density, the grain size and the density of the solids at which the fluidized beds are operated depend on the particular fluidized bed process. The decisive feature of the design according to the invention is the ratio of the length of the straight part, namely the cylindrical bore of the nozzle to the clear width of the bore. With certain ratios of length ■ diameter, certain minimum carrier gas velocities are preferably used in order to prevent the backflow of solids. The carrier gas velocity can, however, be changed within certain limits as a function of the density of the carrier gas and the density and grain size of the finely divided solids. ^6υ

Die lichte Weite der Düse kann 0,5 bis 50 mm, im allgemeinen 2,54 bis 25,4 mm und vorzugsweise zur Behandlung der meisten Feststoffe 5 bis 19 mm betragen. Die entsprechenden Längen des geradlinigen Teiles der Düse sind 5- bis 40mal so groß, im allgemeinen 10- bis 30mal so groß und vorzugsweise 10-bis 20mal so groß wie der Durchmesser. Diese Vprhältnisse sind kritisch, und bei Verhältnissen von Länge : Durchmesser von weniger als etwa 5 findet eine Rückströmung von Feststoffen durch die Düse und eine Verstopfung der Düse statt, während bei Verhältnissen von mehr als 40 der Druckabfall im Trägergas beim Durchströmen des geradlinigen Teiles der Düse verhältnismäßig hoch ist, so daß dann übermäßige Trägergasdrucke erforderlich sind, um das Gas durch die Düse hindurchzupressen. Die Trägergasgeschwindigkeiten durch die Düse betragen, bezogen auf atmosphärische Bedingungen für Temperatur und Druck für Luft, für die oben angegebenen Längen und Durchmesser der Düsen mindestens 3 bis 90 m/sec und gewöhnlich 6 bis 60 m/sec, insbesondere etwa 7 bis 45 m/sec. Für Düsen mit Verhältnissen von Länge : Durchmesser von 5 bis 10 beträgt die minimale Gasgeschwindigkeit durch die Düse etwa 30 bis 60 m/sec je 25,4 mm Durchmesser oder je Bruchteil dieses Durchmessers der Düse, bezogen auf atmosphärische Bedingungen von Temperatur und Druck für Luft, • z. B. können die Geschwindigkeiten bei höheren Temperaturen, bei denen die Dichte des Gases niedriger ist, erhöht und bei niedrigeren Temperaturen, bei denen die Dichte höher ist, herabgesetzt werden. Druckänderungen haben eine ähnliche Wirkung. Die Gasgeschwindigkeit durch die Düse variiert mit dem Gas, der Temperatur und dem Druck, bei denen die Wirbelschicht bei einem bestimmten Verhältnis von Länge zu Durchmesser betrieben wird. Das Verhältnis der Fläche der Düse zur Gesamtfläche der Rostplatte hängt von dem jeweiligen Arbeitsvorgang, dem Gasvolumen und der Oberflächengeschwindigkeit des Gases ab, die in der Wirbelschicht aufrechterhalten werden soll.The inside diameter of the nozzle can be 0.5 to 50 mm, generally 2.54 to 25.4 mm and preferably 5 to 19 mm for the treatment of most solids. The corresponding lengths of the straight part of the nozzle are 5 to 40 times as large, generally 10 to 30 times as large and preferably 10 to 20 times as large as the diameter. These ratios are critical, and with length: diameter ratios of less than about 5 there will be a backflow of solids through the nozzle and blockage of the nozzle, while with ratios greater than 40 the pressure drop in the carrier gas as it flows through the straight part of the nozzle is relatively high, so that excessive carrier gas pressures are then required to force the gas through the nozzle. The carrier gas velocities through the nozzle, based on atmospheric conditions for temperature and pressure for air, are at least 3 to 90 m / sec and usually 6 to 60 m / sec, in particular about 7 to 45 m / sec, for the lengths and diameters of the nozzles specified above. sec. For nozzles with length: diameter ratios of 5 to 10 , the minimum gas velocity through the nozzle is about 30 to 60 m / sec per 25.4 mm diameter or per fraction of this diameter of the nozzle, based on atmospheric conditions of temperature and pressure for air , • z. For example, the velocities can be increased at higher temperatures, at which the density of the gas is lower, and decreased at lower temperatures, at which the density is higher. Changes in pressure have a similar effect. The gas velocity through the nozzle varies with the gas, temperature and pressure at which the fluidized bed is operated at a particular length to diameter ratio. The ratio of the area of the nozzle to the total area of the grate plate depends on the particular work process, the gas volume and the surface velocity of the gas that is to be maintained in the fluidized bed.

Die jeweiligen Oberflächengeschwindigkeiten des Gases, die für bestimmte Verhältnisse von Länge zu Durchmesser und für bestimmte Verfahien erforderlich sind, lassen sich von dem Fachmann leicht ermitteln. Erfindungsgemäß in den Wirbelschichtzustand überführte Feststoffe sind diejenigen, die sich leicht bei normalen Trägergasgeschwindigkeiten in den Wirbelzustand überführen lassen. Im allgemeinen betragen die Korngrößen der Feststoffe 12,7 mm bis etwa 10 μ und insbesondere etwa 2000 bis 40 μ. Die Feststoffe werden normalerweise einem Mahlvorgang unterworfen, um sie zu leicht in den Wirbelschichtzustand überführbaren Teilchengrößen zu zerkleinern. Für Wirbelschicht geeignetes feinteiliges Eisenerz hat z. B. einen Korngrößenbereich zwischen etwa 4,7 mm und 35 μ.The respective surface velocities of the gas, which for certain ratios of length too Diameter and required for certain processes can be easily determined by the person skilled in the art. According to the invention converted into the fluidized bed state Solids are those that easily turn into the vortex state at normal carrier gas velocities get convicted. In general, the grain sizes of the solids are 12.7 mm to about 10 μ and in particular about 2000 to 40 μ. The solids are usually subjected to a milling process to make them too easily convertible into the fluidized bed state to comminute particle sizes. For fluidized bed suitable finely divided iron ore has z. B. a grain size range between about 4.7 mm and 35 μ.

Der Wirbelschichtrost und das Verfahren zu dessen Betrieb sollen beispielhaft an einem Verfahren beschrieben werden, bei welchem feine Teilchen eines teilweise reduzierten Eisenerzes in der Wirbelschicht durch Behandeln mit einem reduzierenden Gas zu 85 bis 98% zu metallischem Eisen reduziert werden. Dieses wird an Hand der Fig. 1 beschrieben. Die hier dargestellte Vorrichtung besteht aus einem senkrechten zylinderförmigen Gefäß 203, welches durch eine Trägerplatte in eine obere Kammer 206 und eine untere Kammer geteilt ist. Die Trägerplatte 214 enthält Düsenöffnungen 216, durch die das Trägergas aus der Kammer 212 in die Wirbelschicht 202 in der oberen Kammer 206 strömt. Die öffnungen 216 sind gleichmäßig über die ganze Fläche der Platte 214 verteilt. Feinteiliges, teilweise reduziertes Eisenerz, welches vorwiegend aus FeO besteht, aber auch etwas Fe enthält, wird der oberen Kammer 206 du^rch Leitung 201 zugeführt und bildet eine Wirbelschicht 202 mit einem Spiegel 204. Die durch die Trägerplatte 214 und die öffnungen 216 aufwärts strömenden Trägergase halten das feinteilige Erz imThe fluidized bed grate and the method for its operation will be described by way of example using a method in which fine particles of a partially reduced iron ore in the fluidized bed are reduced to 85 to 98% to metallic iron by treatment with a reducing gas. This is described with reference to FIG. 1. The device shown here consists of a vertical cylindrical vessel 203 which is divided by a carrier plate into an upper chamber 206 and a lower chamber. The carrier plate 214 contains nozzle openings 216 through which the carrier gas flows from the chamber 212 into the fluidized bed 202 in the upper chamber 206 . The openings 216 are evenly distributed over the entire surface of the plate 214 . Finely divided, partly reduced iron ore which is composed mainly of FeO, but also contains some Fe is the upper chamber 206 du ^r ch line 201 supplied to and forms a fluidized bed 202 with a mirror 204. The through the support plate 214 and the openings 216 upflowing Carrier gases keep the finely divided ore in

Wirbelschichtzustand, und wenn die Höhe der Wirbelschicht zunimmt, fließt sie durch das Fallrohr 211 über und wird aus dem Gefäß 203 ausgetragen. Infolge des Wirbelzustandes der Schicht, der diese in vielen Hinsichten einer siedenden Flüssigkeit vergleichbar macht, wird die Höhe 204 der Wirbelschicht durch die Höhe des oberen Endes des Fallrohres 211 bestimmt.Fluidized bed condition, and when the height of the fluidized bed increases, it overflows through the downcomer 211 and is discharged from the vessel 203. As a result of the eddy state of the layer, which this in many In terms of a boiling liquid, the height 204 of the fluidized bed is through the Height of the upper end of the downpipe 211 is determined.

Reduzierendes Gas, das Kohlenmonoxyd und bzw. oder Wasserstoff enthält, wird durch Leitung 213 und die Wirbelrostplatte 214 zugeführt und hält das feinteilige Eisenerz in der Schicht 202 im Wirbelzustand. Die zur Durchführung der endothermen Reduktion erforderliche Wärme kann im Falle der Verwendung eines Gemisches aus CO und H2 auf die übliche Weise, z. B. durch Vorerhitzen des Eisenerzes und bzw. oder des Reduktionsgases, zugeführt werden. Das FeO wird durch Gegenstrombehandlung mit dem reduzierenden Gas zu 85 bis 98% zu metallischem Eisen reduziert, welches aus dem Gefäß 203 durch das Fallrohr 211 ausgetragen wird. Die Temperatur in dem Gefäß 203 wird je nach der Zusammensetzung des reduzierenden Gases auf etwa 540 bis 870°C und der Druck mit Hufe herkömmlicher Vorrichtungen auf 0,35 bis 4,2 atü gehalten. Das Trägergas in der Wirbelschicht 202 reißt feinkörnige Teilchen mit und führt sie in die Kammer 206, aus der sie durch Leitung 208 dem Zyklonabschei der 207 zugeführt werden, wo das Feinkorn von dem Gas getrennt und durch Leitung 210 in die Wirbel schicht 202 zurückgeleilet wird. Das von Feststoffen freie Gas wird aus dem Zyklon 207 durch Leitung 209 abgezogen. Die Trägergasgeschwindigkeit durch die Wirbelschicht 202 wird auf etwa 0,75 bis 1,5 m/sec und die durchschnittliche Verwtilzeit der Feststoffe in der Schicht 202 auf 8 bis 24 Stunden gehalten. Der Wirbelschichtdurchmesser kann 0,fa bis 9 m und die Höhe der Wirbelschicht 2.75 bis 11 m betragen. Reducing gas containing carbon monoxide and / or hydrogen is supplied through line 213 and the vortex grate plate 214 and keeps the finely divided iron ore in the layer 202 in the vortex state. The heat required to carry out the endothermic reduction can, in the case of using a mixture of CO and H2, in the usual way, e.g. B. by preheating the iron ore and / or the reducing gas are supplied. By countercurrent treatment with the reducing gas, the FeO is reduced to 85 to 98% to metallic iron, which is discharged from the vessel 203 through the downpipe 211. The temperature in the vessel 203, depending on the composition of the reducing gas, is maintained at about 540 to 870 ° C. and the pressure is maintained at 0.35 to 4.2 atmospheres using conventional devices. The carrier gas in the fluidized bed 202 entrains fine-grained particles and leads them into the chamber 206, from which they are fed through line 208 to the cyclone separator 207, where the fine -grained particles are separated from the gas and returned to the fluidized bed 202 through line 210 . The solids- free gas is withdrawn from cyclone 207 through line 209 . The carrier gas velocity through the fluidized bed 202 is maintained at about 0.75 to 1.5 m / sec and the average residence time of the solids in the bed 202 is maintained at 8 to 24 hours . The fluidized bed diameter can be 0.fa to 9 m and the height of the fluidized bed 2.75 to 11 m.

Das ausschlaggebende Merkmal dieser Vorrichtung zur Wirbelschichtreaktion von Eisenerz ist die Bauart und der Betrieb des Rostes. Die Platte 214 enthält Öffnungen 216. Die öffnungen 216 werden von der zylinderförmigen Bohrung in den Düsen 215 gebildet. Die Düsen 215 sind an der Platte 214 angebracht. Die Zeichnung zeigt dies nur schematisch; in Wirklichkeit sind die Düsen kleiner und stehen in engeren Abständen voneinander, wie dies in Fig. 3 in stärkerem Maße deutlich wird. Der geradlinige Teil der Düse 215, also die zylindrische Bohrung, hat eine kritische Länge im Verhältnis zur lichten Weite der Düse 215. Für Durchmesser von 2,54 bis 7.6 mm ist die Länge der Düsen 10- bis 30mal so groß wie der Durchmesser, und die entsprechenden Trägergasgeschwindigkeiten durch die Düse betragen 9 bis 30 m/sec bezogen auf atmosphärische Bedingungen, und dies bezieht sich auf die Trägergasgeschwindigkeit durch die Düse und nicht etwa auf die Gesamtgasgeschwindigkeit durch die Wirbelschicht. Bei der Reduktion von Eisenerz in Form feinteiiiger Feststoffe bei hohem durchschnittlichem Reduktionsgrad zum Metall werden die Temperatur und die Wirbelschichtbedingungen äußerst kritisch. Bei Wirbelschichtrosten mit einfachen öffnungen von etwa 12,7 mm Durchmesser oder weniger wird der Rost bei Temperaturen von 650 bis 870⁰C bereits durch jede nennenswerte Rückströmung von Feststoffen in die Düsen verstopft. Noch bedenklicher ist die Ruckströmung der feinteiligen Eisenfeststoffe in die Kammer 212 und die anschließende Rückkehr der heißen Feststoffe durch die Düsen zusammen mit dem Gas, da dies die Verstopfung des Rostes noch verstärkt und zur Zerstörung der Wirbelschicht und zum Ausfall des Rostes führt. The decisive feature of this device for the fluidized bed reaction of iron ore is the design and operation of the grate. The plate 214 contains openings 216. The openings 216 are formed by the cylindrical bore in the nozzles 215 . The nozzles 215 are attached to the plate 214 . The drawing shows this only schematically; in reality the nozzles are smaller and more closely spaced , as is more clearly shown in FIG. The straight part of the nozzle 215, i.e. the cylindrical bore, has a critical length in relation to the inside diameter of the nozzle 215. For diameters of 2.54 to 7.6 mm, the length of the nozzles is 10 to 30 times as large as the diameter, and the corresponding carrier gas velocities through the nozzle are 9 to 30 m / sec based on atmospheric conditions, and this relates to the carrier gas velocity through the nozzle and not, for example, to the total gas velocity through the fluidized bed. When iron ore is reduced in the form of finely divided solids with a high average degree of reduction to metal, the temperature and the fluidized bed conditions become extremely critical. In fluidized bed grids with simple openings of about 12.7 mm diameter or less of the grate at temperatures from 650 to 870 ⁰ C is clogged already by any substantial backflow of solids into the nozzles. Even more worrying is the backflow of the finely divided iron solids into chamber 212 and the subsequent return of the hot solids through the nozzles together with the gas, as this increases the clogging of the grate and leads to the destruction of the fluidized bed and failure of the grate.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Rost mit seinen divergierenden Austrittsflächen für die aus den DüsenF i g. 2 shows a plan view of the grate with its diverging exit surfaces for the nozzles austretenden Gase, die das Stagnieren der Feststoffe zwischen den Düsenöffnungen in der Rostplatte verhindern. F i g. 3 ist ein Längsschnitt nach der Linie A-A der Fig. 2. Die divergierenden Austrittsleitungen setzen sich aus den Rippen 218 und 219 zusammen, dieescaping gases that prevent stagnation of the solids between the nozzle openings in the grate plate. F i g. 3 is a longitudinal section along the line AA of FIG. 2. The diverging outlet lines are composed of the ribs 218 and 219, the

ίο sämtlich an der Öffnung gegen die Waagerechte um etwa 30 bis 80°, vorzugsweise um 30 bis 60°, insbesondere um etwa 45°, geneigt sind, und Kammern von der Form umgekehrter Pyramiden bilden, die die fallenden Feststoffe in die Öffnungen der Rostplatteίο all at the opening against the horizontal about 30 to 80 °, preferably by 30 to 60 °, in particular by about 45 °, are inclined, and chambers of the shape of inverted pyramids that form the falling solids into the openings in the grate plate lenken. Hierdurch wird die Ausbildung toter Räume und das Stagnieren der Feststoffe auf dem Rost zwischen den Düsenöffnungen verhindert. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß die Düsenöffnungen sich in der Rostplatte durchweg in gleichen Abständen voneinander befinden.to steer. This prevents dead spaces from forming and solids stagnating on the grate between prevents the nozzle openings. From Fig. 2 it can be seen that the nozzle openings are in the grate plate are consistently equidistant from one another.

Der Längsschnitt in F i g. 3 zeigt, auf welche Weise die Rostplattc in der Kammer oder dem Gefäß 203 getragen wird. Die Rostplatte 214 ruht auf einem umlaufenden Flansch 220, an dem sie mit Bolzen 221 befestigt ist. Das Leitblech 217 läuft am Umfang des Gefäßes 203 entlang und ist gegen die Waagerechte abwärts geneigt, so daß es die Feststoffe nach der Mitte des Gefäßes hin lenkt. Wegen des großen Gewichtes der Eisenerzschicht in dem Gefäß ruht die Wirbeirostplatte 214 ferner auf den Querträgern 223 und den Längsträgern 222. The longitudinal section in FIG. 3 shows the manner in which the grate plate is supported in the chamber or vessel 203. The grate plate 214 rests on a circumferential flange 220 to which it is fastened with bolts 221. The baffle plate 217 runs along the circumference of the vessel 203 and is inclined downwards from the horizontal so that it directs the solids towards the center of the vessel. Because of the great weight of the iron ore layer in the vessel, the eddy grate plate 214 also rests on the cross members 223 and the side members 222.

Dicke und Durchmesser des Rostes 214 sind so bemessen, daß der Rost sich für den jeweiligen Arbeitsvorgang eignet und die Wirbelschichtfeststoffe tragen kann. Im allgemeinen ist die Rostplatte 214 etwa 12.7 bis 50 mm dick und an dem Reaktionsgefäß 203 festgeschraubt oder angeschweißt. Die von den RipDcr 218 und 219 gebildete Anordnung ist. z. B. durcr Verschweißen, an der Oberseite der Rostplatte 21Ί befestigt; die Rippen fallen schräg zu den Löchern hir ab und verhindern die Ansammlung von Teilcher zwischen den Löchern und Seiten des Gefäßes.The thickness and diameter of the grate 214 are dimensioned so that the grate is suitable for the particular operation and can carry the fluidized bed solids. In general, the grate plate 214 is about 12.7 to 50 mm thick and screwed or welded to the reaction vessel 203. The arrangement formed by RipDcr 218 and 219 is. z. B. by welding, attached to the top of the grate plate 21Ί; the ribs slope down towards the holes and prevent the accumulation of particles between the holes and sides of the vessel.

Durch die Verwendung von Düsen von der richtiger Größe mit dem kritischen Verhältnis von Länge 71 Durchmesser statt einfacher Öffnungen in der Rostplat te und durch Einführung des Trägergases mit dei richtigen Geschwindigkeit wird das Zurückströmen dci feinteiligen Feststoffe in und bzw. oder durch die Düser und die Verstopfung der Düsen verhindert. Die Düser gemäß der Erfindung bestehen vorzugsweise aus eine By the use of nozzles of the correct size with the critical ratio of length instead of simple openings te 71 diameter in the Rostplat and by introducing the carrier gas with dei correct speed is flowing back dci finely divided solids in and respectively or by Düser and plugging of the nozzles. The nozzles according to the invention preferably consist of one

Metallegierung, wie rostfreiem Stahl. Vorzugsweise sine sie am Boden der Rostplatte angeschweißt, oder si< werden durch die Rostplatte hindurchgeführt und dam angeschweißt oder angeschraubtMetal alloy such as stainless steel. Preferably sine they are welded to the bottom of the grate plate, or si < are passed through the grate plate and welded or screwed onto it

^₅ Beispiel!^ ₅ example!

Zur Erzeugung einer Wirbelschicht wird ein Gefäl von etwa 30 cm Durchmesser bis zu einer Höhe voi etwa 2.5 bis 3 m mit feinteiligen Feststoffen mit einen Korngrößenbereich von 30 bis etwa 1000 μ gefüllt Dl·To generate a fluidized bed, a vessel about 30 cm in diameter up to a height of voi about 2.5 to 3 m with finely divided solids with a Grain size range from 30 to approx. 1000 μ filled Dl

Feststoffe ruhen auf einem Wirbelschichtrost gemäl Fig.2. Die Öffnungen der auf gleichmäßigen Abstän den stehenden Düsen, die sich über die Oberfläche de flachen Rostplatte erstrecken, haben eine lichte Weit von 7,6 mm. Die Länge des geradlinigen Teiles eineSolids rest on a fluidized bed grate painted Fig. 2. The openings of the evenly spaced The standing nozzles, which extend over the surface of the flat grate plate, have a clear width of 7.6 mm. The length of the rectilinear part is one

jeden Düse ist 20mal so groß wie die lichte Weit« nämlich 15,2 cm. Beim Füllen des Gefäßes mit de Feststoffen wird durch die Düsen Trägergas mit eine Geschwindigkeit von 15 m/sec (Luft bei 27° C uneach nozzle is 20 times as large as the clear width « namely 15.2 cm. When filling the vessel with de solids, carrier gas with a Speed of 15 m / sec (air at 27 ° C un

Atmosphärendruck) eingeleitet, welches die Feststoffe bei ihrer Einführung in den Wirbelschichtzustand überführt. Die Feststoffe werden in das Gefäß allmählich eingefüllt, während das Gas durch den Rost strömt, so daß zu Anfang keine Rückströmung der Feststoffe durch die Düsen und keine Verstopfung stattfinden kann. Es erfolgt keine Rückströmung der Feststoffe in die Füllkaimmer und keine Verstopfung des Rostes. Die Wirbelschicht wird ohne Schwierigkeit 8 bis 10 Stunden betrieben. ι ο Atmospheric pressure), which converts the solids into the fluidized bed state when they are introduced. The solids are gradually filled into the vessel as the gas flows through the grate , so that initially no backflow of the solids through the nozzles and no clogging can take place. There is no backflow of solids into the filling hopper and no clogging of the grate. The fluidized bed is operated for 8 to 10 hours without difficulty. ι ο

Um die Wirksamkeit des Rostes bei höheren Temperaturen aufzuzeigen, wird ein Rost mit Düsen der oben beschriebenen Größe unter einer Wirbelschicht aus feinteiligem FeO und Fe langer als zwei Monate bei 760⁰C und 1 atü bei einer Gas-Massengeschwindigkeit durch die Düsen, entsprechend einer Luftgeschwindigkeit bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck von 15m/sec, betrieben. Die tatsächliche Gasgeschwindigkeit beträgt 220 m/sec.In order to demonstrate the effectiveness of the grate at higher temperatures, a grate with nozzles of the size described above is placed under a fluidized bed of finely divided FeO and Fe for more than two months at 760 ^° C. and 1 atm at a gas mass velocity through the nozzles, corresponding to an air velocity operated at room temperature and atmospheric pressure of 15m / sec. The actual gas velocity is 220 m / sec.

Example 2

Um die kritische Beziehung der Länge und des Durchmessers der Düsen zu der Trägergasgeschwindigkeit beim Betrieb einer Wirbelschicht aus feinteiligen Feststoffen zu zeigen, werden mehrere Versuche durchgeführt, bei denen das Verhältnis von Länge : Durchmesser der Düsen variiert wird, um zu bestimmen, bei welchem Verhältnis von Länge : Durchmesser und bei welcher Gasgeschwindigkeit eine Rückströmung der Feststoffe durch die Düsen auftritt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.
Tabelle 1In order to show the critical relationship of the length and the diameter of the nozzles to the carrier gas velocity in the operation of a fluidized bed of finely divided solids, several tests are carried out in which the length: diameter ratio of the nozzles is varied in order to determine at which ratio of Length: diameter and the gas velocity at which the solids flow back through the nozzles. The results are shown in Table I.
Table 1

Durchmesserdiameter Verhältnis derRatio of GasgeschwindigkeitGas velocity der Öffnungenof the openings Düsenlänge zurNozzle length for beim Zurückwhen going back lichten Weiteclear width strömen derstream the FeststoffeSolids mmmm m/sekm / sec 6,356.35 2020th 10,3610.36 6,256.25 1515th 10,6710.67 6.256.25 1010 11,2811.28 6,256.25 55 14,9414.94 W,2W, 2 2020th 7,627.62 6,526.52 1515th 7,927.92 6,526.52 1010 8,238.23 6,526.52 55 21,9521.95

Zur Gewinnung dieser Werte werden Feststoffe mit Korngrößen von weniger als 4,7 mm mit Hilfe von Luft als Trägergas in den Wirbelschichtzustand übergeführt, wobei die Luft durch die Düsen mit den angegebenen Verhältnissen von Länge : Durchmesser eingeführt wird.To obtain these values, solids with grain sizes of less than 4.7 mm are extracted with the aid of air transferred as a carrier gas into the fluidized bed state, the air through the nozzles with the specified Length: diameter ratios is introduced.

Die Gasgeschwindigkeit wird allmählich vermindert, bis die Feststoffe vollständig durch die Düse zurück strömen. Die Versuche werden bei Raumtemperatur und Almosphärendruck durchgeführt. In allen Fällen wird die Gasgeschwindigkeit verzeichne! bei der Rückströmung der Feststoffe erfolgt.The gas velocity is gradually decreased until the solids completely return through the nozzle stream. The experiments are carried out at room temperature and atmospheric pressure. In all cases will record the gas velocity! occurs when the solids flow back.

Die zur Verhinderung der Rückströmung der Feststoffe erforderliche Trägcrgasgeschwindigkeu muß auf die bekannte Gasdichte eingestellt werden, um die entsprechende Maßengeschwindigkeit zu erhalten, die erforderlich ist, um die Rückströmung von Feststoffen bei Verwendung eines besonderen Gases und einer besonderen Kombination von Temperatur und Druck zu verhindern.To prevent the backflow of the Solids required carrier gas speed can be adjusted to the known gas density in order to obtain the corresponding dimensional velocity which is required to reverse the flow of solids when using a special gas and a special combination of temperature and pressure to prevent.

Fig. 4 und 5 zeigen, daß die Rückströmung von Feststoffen sich bei Verhältnissen von Länge ·. Durchmesse·· von weniger als 5 bei praktisch in Betracht kommenden Gasgesehwindigkeilen nicht verhindern läßt. Die Werte zeigen, daß zur Verhinderung der Rückströmung das Verhältnis von Länge : Durchmesser mindestens 5 betragen muß. Wird das Verhältnis von Länge : Durchmesser von etwa 5 auf 10 vergrößert, so läßt sich die Rückströmung der Feststoffe auch noch bei einer erheblich niedrigeren Gasgeschwindigkeit verhindern. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß bei Verhältnissen von Länge : Durchmesser von 10 und mehr die Rückströmung der Feststoffe bei etwa der gleichen minimalen Gasgeschwindigkeit verhindert wird.Figs. 4 and 5 show that the backflow of Solids are at ratios of length ·. Diameter ·· of less than 5 in the case of gas wedges which are practically possible leaves. The values show that the ratio of length: diameter to prevent backflow must be at least 5. If the ratio of length: diameter is increased from about 5 to 10, so the backflow of the solids can also be prevented at a considerably lower gas velocity. It has surprisingly been found that with ratios of length: diameter of 10 and more prevents the solids from flowing back at about the same minimum gas velocity will.

Die Verwendung des neuen Wirbelschichtrostes ist nicht auf die Reduktion von Eisenerz beschränkt, sondern der Rost kann bei beliebigen Wirbelschichtverfahren verwendet werden, bei denen die Rückströmung von Feststoffen in die Rostdüsen und die Füllkammer sowie die Verstopfung des Rostes vermieden werden soll. Diese Vorrichtung kann für die direkte Eisenerzreduktion, die Wirbelschichtröstung von Eisensulfiden, die Wirbelschichtspaltung von Kohlenwasserstoffen, die Wirbelschichtkalzinierung von Koks und ähnliche Verfahren verwendet werden.The use of the new fluidized bed grate is not limited to the reduction of iron ore, but the grate can be used in any fluidized bed process in which the backflow solids in the grate nozzles and the filling chamber as well as clogging of the grate can be avoided target. This device can be used for direct iron ore reduction, the fluidized bed roasting of iron sulfides, the Fluidized bed cracking of hydrocarbons, the fluidized bed calcination of coke and the like Procedures are used.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. fluidized bed grate for a fluidized bed reactor, consisting of a plate, are provided in each other in evenly over their distances gas supply ports while a feed line for the supply of the solids above the plate arranged, characterized in that on the underside of the plate (214) on the ι ο gas supply openings (216) pipe sections (215) are arranged, in which the ratio of length to clear diameter is in the range from 5 to 40, while ribs (218, 219) are located on the upper part of the plate (214), the inclined surfaces of which are inclined from 30 to 80 ° to the horizontal and which each form cavities in the shape of an inverted pyramid, the tip of which lies in the gas supply openings (216).

2. The method for operating the fluidized bed grate according to claim 1, characterized in that a Carrier gas is introduced into the fluidized bed at a rate of 3 to 90 m per second.

3. The method for operating the fluidized bed grate according to claim 1, characterized in that the Carrier gas into the fluidized bed at a speed of at least 30 to 60 meters per second through the pipe sections with a ratio of length to clear diameter of 5 to 10 and a clear nozzle diameter of 25.4 mm is introduced.

4. The method for operating the fluidized bed grate according to claim 1, characterized in that the Carrier gas through pipe sections with a clear diameter of 2.54 to 25.4 mm and a Ratio of length to clear diameter from 10 to 30 with a speed of 7.6 to 45 m is initiated per second.