DE19854390C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Perliteherstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Perlitegranulat und ein Verfahren zur Expansion von Rohperlite zu Perlitegranulat im Flugstrom.

Die Wärmebehandlung von inerten Stoffen unter oxidierender Atmosphäre im Flugstrom, wie beispielsweise das Schmelzen und die Expansion von Perlitepartikeln zum Perlitegranulat, ist bekannt.

Perlitegranulat wird aufgrund seiner Eigenschaften unter anderem als Isolationswerkstoff, Filtrationsmaterial oder als Pflanzengranulat verwendet. Bei der Herstellung wird als Ausgangsmaterial der sogenannte Rohperlite eingesetzt. Rohperlite ist ein Naturglas vulkanischen Ursprungs, das 3 bis 6 Gew.-% chemisch gebundenes Hydratwasser enthält. Der Rohperlite wird auf Korngrößen zwischen 0,125 und 2,24 mm zerkleinert und auf die für die Eigenschaften des Endproduktes notwendige Korngrößenverteilung klassiert.

Die Rohperlitepartikel werden durch Erwärmung auf Temperaturen größer als 1000°C angeschmolzen. Durch das bereits ab 800°C ausgetriebene und verdampfende Hydratwasser expandieren die angeschmolzenen Partikel auf ein Vielfaches ihres Ausgangsvolumens.

Als Apparat zur Herstellung von Perliten hat sich heute der Schachtofen gegenüber dem horizontal rotierenden Drehrohr weitgehend durchgesetzt.

Der Schachtofen besteht aus einem vertikalen Expansionsrohr aus hitzebeständigem Stahl, das von unten durch eine Flamme beheizt wird. Wärmeverluste durch Wärmestrahlung werden durch eine feuerfeste Isolierung, die im Abstand um das Expansionsrohr angebracht ist, minimiert.

Der körnige, getrocknete Rohperlite wird durch am Umfang des Expansionsrohres angebrachte Öffnungen direkt in die Flamme in den Bereich von Temperaturen größer 1000°C zudosiert. In Abhängigkeit von der Rohperlite-Korngröße, der Flammentemperatur und der Verweilzeit wird das Einzelkorn geschmolzen und durch das verdampfende Hydratwasser aufgebläht. Aufgrund der durch diese Volumenvergrößerung resultierenden Auftriebskräfte werden die aufgeblähten Partikel durch das Abgas der Flamme nach oben ausgetragen. Die expandierte Perlite wird in einem nachgeschalteten Zyklon vom Abgas getrennt, über ein Zellrad ausgeschleust, abgekühlt und in Silos zwischengelagert.

Als Brennstoff für den Schachtofen werden Brenngase, wie z. B. Erdgas, Propan und Butan, sowie Heizöl verwendet. Der Brennstoff wird mit Luft als Oxidationsmedium überstöchiometrisch, das bedeutet mit Luftüberschuß, verbrannt.

Die maximal zulässige Betriebstemperatur der Expansionsrohre ist werkstoffabhängig. Als Werkstoff wird in der Regel ein hitzebeständiger Stahl verwendet.

Die Temperatur im Ofen beträgt typisch zwischen 850°C und 950°C. Im Betrieb werden zur Erhöhung der Standzeit niedrige Wandtemperaturen angestrebt, da bereits ab 900°C verstärkt Verzunderung auftritt.

Das Aufblähen der Rohperlitepartikel wird im wesentlichen durch die Lage und die räumliche Ausdehnung der heißen Flammzone sowie deren Temperatur beeinflußt. Die Temperatur kann durch die Düsengeometrie des Brenners, dem Brennstoff/Luft-Verhältnis und durch den Ofendruck, das heißt die Zufuhr von Falschluft, nur in bestimmten Grenzen beeinflußt werden, ohne daß die zulässigen Betriebstemperaturen überschritten werden. Der inerte Stickstoffanteil in der Verbrennungsluft und der Luftüberschuß in der Flamme begrenzen außerdem die Temperatur in der Verbrennungszone und damit den Wärmeübergang auf die Rohperlitepartikel. Dadurch ist bei vorhandenem Querschnitt des Expansionsrohres der Durchsatz an expandiertem Perlitegranulat mit definiertem Schüttgewicht begrenzt.

Darüber hinaus ist die thermische Expansion von Perlite mit einem Gesamtwirkungsgrad kleiner 30%, abhängig vom Rohpartikeldurchmesser und dem Schmelzpunkt der Rohperlite, sehr energieintensiv.

Bei den vorhandenen Rohperlite-Expansionsöfen besteht deshalb ein prinzipielles Interesse an einer Produktivitätsverbesserung, das heißt an einer Durchsatzsteigerung für expandierte Perlite. Ferner sollte der Energieverbrauch reduziert werden.

Es ist bekannt, die Durchsatzleistung von Perlite-Expansionsöfen dadurch zu erhöhen, daß die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert wird und daß die mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft zusammen mit dem Brenngas vermischt wird und durch geeignete Brenner in das Expansionsrohr zur Verbrennung zugegeben wird (US 4,179,264). Bei diesem einfach zu realisierenden Verfahren der Sauerstoffanreicherung kann der Durchsatz an expandierter Perlite um maximal 30% gesteigert werden, ohne daß die zulässigen Wandtemperaturen überschritten werden.

Bei der Anreicherung wird durch die gleichmäßige Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in der Primärluft die Temperatur in der Reaktionszone gleichmäßig angehoben und damit der Wärmeübergang auf die Rohperlitepartikel verbessert. Das bedeutet, der Durchsatz von Rohperlite kann so erhöht werden. Da aber die Lage und die Ausdehnung der Reaktionszone bzw. der Flammenfront nicht verändert werden kann, ist die mögliche Erhöhung der Durchsatzleistung begrenzt. Denn die Verweilzeit bleibt konstant.

Höhere Sauerstoffkonzentrationen führen darüber hinaus zu Problemen hinsichtlich der Verzunderung des Expansionsrohres und dessen mechanischer Festigkeit.

Aus der US-A 4,512,736 ist eine Vorrichtung für die Expansion von Rohperlite bekannt, bei der der Rohstoff mittels Trägergas einem Brenner zugeführt wird, der am Boden eines Fließbettreaktors angeordnet ist. Der Rohperlite wird in einem zur Brennerflamme koaxialen Strom in den Fließbettreaktor vertikal von unten nach oben eingeblasen. Hierzu ist der Brenner mit einer Zentraldüse versehen, die koaxial von einer Ringdüse oder mehreren Ringdüsen umgeben ist. Der Zentraldüse werden Luft und Rohperlite zugeführt und der Ringdüse ein Brennstoff zur Erzeugung der Brennerflamme.

In der US-A 4,347,155 ist ein Verfahren zur Perliteherstellung beschrieben, bei dem einer Expansionskammer durch einen am Kammerboden angeordneten Brenner ein Brennstoff-Luftgemisch mit unterstöchiometrischem Luftanteil und unmittelbar oberhalb des Brenners ein vorgewärmter Luftstrom zugeführt werden. Die Menge des vorgewärmten Luftstroms entspricht der zur vollständigen Verbrennung Benötigten. Die Flußraten von Brennstoff-Luftgemisch und vorgewärmtem Luftstrom werden so eingestellt werden, daß eine möglichst lange Leuchtflamme und eine homogene Temperaturverteilung in der Expansionskammer erhalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Expansion von Rohperlite zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, ohne die bekannten Nachteile und Risiken der Sauerstoffanreicherung, die Durchsatzleistung von Rohperlite in der Vorrichtung wesentlich zu erhöhen und den spezifischen Energiebedarf zu senken, ohne daß die zulässigen Wandtemperaturen überschritten werden und ohne daß ungeblähte Rohperlite durch den Brenner fällt.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Perlitegranulat mit einem Expansionsrohr und einem oder mehreren an einem Ende des Expansionsrohres angeordneten Brenner, bei dem die Verbrennungsluft durch eine oder mehrere Verbrennungsluftdüsen in die Flamme eingeblasen wird, mindestens in einer Verbrennungsluftdüse eine zusätzliche Unterschalldüse angeordnet ist.

Bei der Vorrichtung zur Herstellung von Perlitegranulat mit einem Expansionsrohr ist das Expansionsrohr vorzugsweise in etwa senkrecht, das bedeutet, die Längsachse des Expansionsrohres verläuft genau senkrecht oder mit relativ geringen Abweichungen, beispielsweise einige Grad aus der senkrechten Lage. Der Brenner ist dann vorzugsweise am unteren Ende des senkrechten Expansionsrohres angeordnet.

Bei der Vorrichtung wird der Rohperlite vorzugsweise im Flugstrom einer Flamme unter Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese Flamme expandiert. Diese Vorrichtung wird hier als "Flugstromreaktor" bezeichnet.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Expansion von Rohperlite im Flugstrom einer Flamme unter Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese Flamme gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sauerstoff oder sauerstoffangereichertere Luft durch Unterschalldüsen axial in die Flamme eingeleitet wird.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Brenner, der vorzugsweise am unteren Ende des vertikalen Expansionsrohres angeflanscht ist, wobei vorzugsweise das Brenngas und die Primärluft durch eine zentrische Einzeldüse mit konzentrischer Ringspalt-Primärluftdüse oder durch konzentrische Einzeldüsen innerhalb der Primärluftdüse in das Expansionsrohr eingeblasen wird. Das Brenngas kann sowohl parallel als auch transversal in den Primärluftstrom eingeblasen werden. Das Brenngas und die Primärluft können sowohl außenmischend als auch vorgemischt aus den Brennerdüsen austreten. Durch die Sekundärluftdüse, die bevorzugt konzentrisch um die Primärluftdüse angeordnet ist, kann mit einem separaten Gebläse Luft eingeblasen werden. Es ist aber ebenso möglich, daß sekundäre Luft bzw. Falschluft nur aufgrund eines Unterdrucks im Expansionsrohr angesaugt wird.

Der Sauerstoff wird durch eine Unterschalldüse, die vorzugsweise zentrisch im Brenner angeordnet ist, axial in die Primärluftflamme eingeblasen. Die Düsenaustrittsgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise zwischen 5 m/s bis 100 m/s. Es kann vorteilhaft reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft mit einem Sauerstoffanteil von vorzugsweise mindestens 50 Vol.-% eingeblasen werden.

Höhere Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeiten von 100 m/s bewirken aufgrund der hohen Mischungsenergie eine Verkürzung der Flammenlänge. Bedingt durch die reduzierte Schichtdicke der Hochtemperaturzone wird bei höheren Rohperlitedurchsätzen die Verweilzeit reduziert; das bedeutet, die Rohperlitepartikel fallen ungebläht durch die Flamme. Gleichzeitig verlagert sich die Verbrennungszone in Richtung Brennerdüse; die Flamme beginnt zu pulsieren, und der Ofen flammt aus. Neben einer erheblichen Durchsatzminderung steigt der Energieverbrauch überproportional.

Durch die Reduzierung der Sauerstoffgeschwindigkeit im Bereich zwischen 5 m/s bis 100 m/s gemäß der Erfindung wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit die Primärflamme verlängert und die Temperatur in der Reaktionszone erhöht, ohne daß es zu einer Überschreitung der zulässigen Wandtemperatur kommt. Durch den verbesserten Wärmeübergang und die längere Verweilzeit kann der Durchsatz an Rohperlite um 50% erhöht werden und der spezifische Energieverbrauch um 35% reduziert werden.

Die höheren Temperaturen in der Primärflamme können auch für eine Reduzierung des Schüttgewichtes genutzt werden, da die Rohperlitepartikel weicher werden und durch das verdampfende Hydratwasser stärker aufblähen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nun beispielhaft anhand von Abbildungen (Fig. 1 bis Fig. 5) sowie durch Beispiele und Vergleichsbeispiele verdeutlicht.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Perlitegranulat mit einem Brenner, der am unteren Ende eines Expansionsrohres angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Brenners.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Brenners.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten Brenners.

Fig. 5 zeigt einen anderen Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten Brenners.

In Fig. 1 ist der untere Abschnitt aus einem Flugstromreaktor gemäß der Erfindung dargestellt. Der Brenner 1 ist am Expansionsrohr 2 an dessen unterem, konisch zulaufenden Ende 3 angeordnet. Über eine zentrisch angeordnete Brennstoff-Einzeldüse 4 wird dem Brenner der Brennstoff zugeführt. Sauerstoff wird durch eine konzentrisch um die Brennstoff-Einzeldüse 4 angeordnete Sauerstoff-Ringspaltdüse 5 über einen Anschlußstutzen 6 zugeführt. Konzentrisch um die Sauerstoff-Ringspaltdüse 5 ist eine Primärluftdüse 7 angeordnet, der über Anschlußstutzen 8 Luft zugeführt wird und welche konzentrisch von einer Sekundär-/Falschluft-Düse 9 mit Anschlußstutzen 10 umgeben ist. Die Zufuhr bzw. die Einblasrichtung der Stoffe ist hier durch Pfeil A dargestellt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der in Fig. 1 dargestellten Fläche D bis D'. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse des Brenners 1 herum sind die Brennstoff-Einzeldüse 4, die Sauerstoff- Ringspaltdüse 5, die Primärluftdüse 7 und die Sekundär-/Falschluft-Düse 9 angeordnet. Die jeweiligen dazugehörigen Anschlußstutzen sind hier nicht dargestellt.

In Fig. 3 ist der untere Abschnitt aus einem Flugstromreaktor mit einer Abwandlung des Brenners 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Brenner 1 ist am Expansionsrohr 2 an dessen unterem, konisch zulaufenden Ende 3 angeordnet. Über eine zentrisch angeordnete Sauerstoff-Einzeldüse 11 wird dem Brenner Sauerstoff zugeführt. Konzentrisch um die Sauerstoff-Einzeldüse 11 ist eine Sekundär-/Falschluft-Düse 12 als Ringspaltdüse angeordnet. Brennstoff wird hier durch eine Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und über den Stutzen 14 zugeführt, wobei die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 konzentrisch um die Sekundär- /Falschluft-Düse 12 angeordnet ist. Konzentrisch um die Brennstoff-Ringspalt- Düse 13 ist eine Primärluftdüse 15 angeordnet, der über Anschlußstutzen 16 Luft zugeführt wird, wobei die Brennstoff Ringspalt-Düse 13 Düsenöffnungen 17 aufweist, wodurch Brennstoff in die Primärluftdüse 15 gelangt (Pfeile B und C).

In Fig. 4 ist ein Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der Fläche E bis E' in Fig. 3 dargestellt. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse des Brenners 1 herum sind die Sauerstoff-Einzeldüse 11, die Sekundär-/Falschluft- Ringspaltdüse 12, die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und die Primärluft-Düse 15 angeordnet. Die jeweiligen dazugehörigen Anschlußstutzen sind hier nicht dargestellt.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der in Fig. 3 dargestellten Fläche F bis F'. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse des Brenners 1 herum sind die Sauerstoff-Einzeldüse 11, die Sekundär- /Falschluft-Ringspaltdüse 12, die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und die Primärluft-Düse 15 angeordnet, wobei hier die Düsenöffnungen 17 der Brennstoff- Ringspalt-Düse 13 zu erkennen sind.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Flugstromreaktor mit einem Expansionsrohrdurchmesser von ca. 630 mm und einem konischen Boden dient zur Herstellung von Perlitegranulat aus Rohperlite mit einer groben Körnung von 0,6 mm.

Als Brennstoff werden 170 m³/h Erdgas mit 640 m³/h Primärluft durch einen außenmischenden Brenner, der am konischen Boden angeflanscht ist, verbrannt. Das Erdgas wird über mehrere Einzeldüsen transversal in den Primärluftstrom eingeblasen. Durch abgasseitige Saugzuggebläse werden bei einem Saugzugdruck von ca. 55 mm WS zusätzlich ca. 1200 m³/h Sekundär- und Falschluft durch die Sekundärluftdüse angesaugt.

Durch zwei Öffnungen im Expansionsrohr wird der Rohperlite durch eine Dosiervorrichtung in die Flamme zudosiert. Nach der Ofenoptimierung werden als Produkt im Zyklon und Filter 12,34 m³/h Perlitegranulat mit einem Schüttgewicht von 77 kg/m³ abgeschieden. Der spezifische Energieverbrauch beträgt 13,92 m³ Erdgas pro m³ Perlite. Die Temperatur des Expansionsrohres beträgt 1500 mm oberhalb der Brennerdüse maximal 805°C.

Vergleichsbeispiel 2

An dem Flugstromreaktor gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde bei gleicher Körnung des Rohperlites von 0,6 mm die Primärluft mit Sauerstoff angereichert.

Die Primärluftmenge wurde auf 450 m³/h reduziert und mit maximal 40 m³/h Sauerstoff auf 27,4 Vol.% Sauerstoff angereichert. Nach der Ofenoptimierung werden als Produkt im Zyklon und Filter maximal 15,06 m³/h Perlitegranulat mit einem Schüttgewicht von 79,4 kg/m³ abgeschieden. Der spezifische Energieverbrauch beträgt 11,37 m³ Erdgas pro m³ Perlite. Bei einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 2,66 m³ Sauerstoff pro m³ Perlite: Höhere Sauerstoffmengen waren nicht möglich, da der obere zulässige Grenzwert der Wandtemperatur überschritten wurde und ungeblähter Rohperlite durch den Brenner fiel.

Beispiel 1

Anstatt der Sauerstoffanreicherung der Primärluft wurde zentrisch in die vorhandene Primärluftdüse eine Sauerstoffdüse eingebaut. Bei einem Sauerstoffvolumenstrom von 50 m³/h, das bedeutet einer Düsenaustrittgeschwindigkeit von 33,5 m/s, wurde bei konstantem Erdgasdurchsatz von 170 m³/h die Primärluftmenge auf 363 m³/h gedrosselt. Über die Sekundärluftdüse wurde ca. 1200 m³/h Sekundär-/Falschluft angesaugt.

Nach der Ofenoptimierung werden als Produkt im Zyklon und Filter 18,56 m³/h Perlitegranulat mit einem Schüttgewicht von 64 kg/m³ abgeschieden. Der spezifische Energieverbrauch beträgt 9,26 m³ Erdgas pro m³ Perlite, und der spezifische Sauerstoffbedarf beträgt 2,69 m³ Sauerstoff pro m³ Perlite.

Die Temperatur des Expansionsrohres beträgt 1500 mm oberhalb der Brennerdüse maximal 790°C.

Durch die erfindungsgemäße Sauerstoffeinspeisung war eine Erhöhung der Perlitedurchsatzleistung von 50,4% möglich. Der Erdgasverbrauch reduzierte sich dabei um 35%.

Beispiel 2

In den Brenner wurde in die vorhandene Primärluftdüse eine Sauerstoffdüse eingebaut, die bei einem Sauerstoffvolumenstrom von 50 m³/h eine Austrittsgeschwindigkeit von 69,1 m/s erzeugte. Bei sonst gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 reduzierte sich der Durchsatz an Perlitegranulat auf 16,9 m³/h bei einem Schüttgewicht von 67,4 kg/m³.

Der spezifische Energieverbrauch stieg auf 10,18 m³ Erdgas pro m³ Perlite, und der spezifische Sauerstoffverbrauch erhöhte sich auf 2,96 m³ Sauerstoff pro m³ Perlite.

Beispiel 3

Durch Reduzierung des Düsenquerschnitts wurde die Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeit noch weiter gesteigert. Bei sonst gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1, aber bei einer Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeit von 150 m/s reduzierte sich der Durchsatz an Perlitegranulat auf 14,58 m³/h bei einem spezifischen Erdgasverbrauch von 11,65 m³ Erdgas pro m³ Perlite und einem Sauerstoffbedarf von 3,43 m³ Sauerstoff pro m³ Perlite.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Perlitegranulat mit einem Expansionsrohr und einem oder mehreren an einem Ende des Expansionsrohres angeordneten Brenner, bei dem die Verbrennungsluft durch eine oder mehrere Verbrennungsluftdüsen in die Flamme eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einer Verbrennungsluftdüse eine zusätzliche Unterschalldüse angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft durch mindestens eine Primär/- und mindestens eine Sekundärluftdüse in die Flamme eingeblasen wird und daß die zusätzliche Unterschalldüse in mindestens einer Primär/- und/oder mindestens einer Sekundärluftdüse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Unterschalldüse axial in einer oder mehreren Düsen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Unterschalldüse bündig mit der Brenngasdüse und/oder Primärluftdüse abschließt.

5. Verfahren zur Expansion von Rohperlite im Flugstrom einer Flamme unter Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese Flamme, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft durch Unterschalldüsen axial in die Flamme eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Sauerstoffs oder der sauerstoffangereicherten Luft 5 m/s bis 100 m/s beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffangereicherte Luft mindestens 50 Vol% Sauerstoff enthält.