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Drehrohr zur DurdfUhrung physikalischer oder chemischer Reaktionen
Die Erfindung betrifft ein Drehrohr zur Durchführung physikalischer oder chemischer
Reaktionen, insbesondere zum Wärmeaustausch, mit das Drehrohr in Längsrichtung durchsetzenden
Feststoffen und Gasen.
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Drehrohre dieser Art können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden5
z.B. als Drehrohröfen zum Reduzieren von Erzen, zum Brennen von Zementrohynehl,
zum Kalzinieren von Kalk usw. oder als Kühlrohre zum Kühlen von gebrannten oder
anderweitig thermisch behandelten Fest stoffen. Die Feststoffe werden dabei an einem
Ende des Drehrohres aufgegeben und am anderen Ende abgezogene während die Behandlungsgase
je nach Art der durchzuführenden Resktionen im Gegenstrom zu den Feststoffen oder
im Gleichstrom zu den Feststoffen in Längsrichtung durch das Drehrohr geführt werden.
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Um in einem solchen Drehrohr mit einem günstigen hohen Füllungsgrad
arbeiten zu können5 ist es im allgemeinen üblich, das über den größten Teil seiner
Länge zylindrische Drehrohr an seinen Enden im Durchmesser mehr oder weniger stark
zu verkleinern, so daß die gewünschte Tiefe des Feststoffbettes im Drehrohr erzielt
werden kann Diese bekannten Drehrohrausführungen sind mit verschiedenen Nachteilen
behaftet: Infolge der im Durchmesser und somit auch im Querschnitt verkleineren
Eintritts- und Austrittsffnungen diesesDrehrohre
werden die Abgase
gezwungen, mit einer Geschwindigkeit auszutreten, die gegenüber der Geschwindigkeit
im Ubrigen Ofenteil stark erhöht ist. Hierdurch werden von den austretenden Abgasen
zum Teil erhebliche Staubmengen von den im Drehrohr befindlichen bzw. von den in
das Drehrohr eingetragenen Feststoffen mitgerissen, wobei diese mitgerissenen Staubteile
zu Ansatzbildungen und gegebenenfalls Verstopfungen in Rohrleitungen oder anderen
in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Einrichtungen führen können; wenn in
einem solchen Falle beispielsweise verhältnismäßig leichte Zuschlagstoffe den zu
behandelnden Feststoffen zugegeben werden, so kann die Mitnahme bzw. Austrag dieser
Zuschläge mit den Abgasen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit
einer Behandlung in einem Drehrohr führen. Dies wird noch dadurch verstärkt, daß
die gesamten Feststoffe in der Regel etwa mittig am Einlaufende des Drehrohres auf
das bereits darin befindliche FeststoffbettWufgegeben werden, wodurch die neu eingebrachten
Feststoffe sich nur sehr langsam mit den bereits im Drehrohr befindlichen Feststoffen
vermischen. Als besonders störend haben sich die genannten Eigenschaften bei Drehrohe)
ren bem#rkbar gemacht, die als Drehrohröfen ausgebildet sind und für eine Direktreduktion
von oxydischen Erzen sowohl bei Gegenstrom- als auch bei Gleichstrombetrieb eingesetzt
werden.
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Wenn bei der Direktreduktion von oxydischen Erzen der Drehrohrofen
im sogenannten Gegenstrom-Verfahren betrieben wird, so werden frische Reduktionsmittel
in Richtung des Hauptgasstromes entgegen dem Feststoffstrom vom Auslaufende des
Drehrohrofens her pneumatisch eingeführt, wobei unter Hauptgasstrom in diesem Falle
die allgemeine Richtung der Abgase verstanden wird. Überschüssiges und zurückgewonnenes
Reduktionsmittel kann dann gegebenenfalls mit einem zusätSichen Frischanteil zur
Deckung des Reduktionsmittelbedarfs vom Einlaufende her dem ersten Teil des Drehrohrofens
aufgegeben werden.
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FUr eine optimale Ausnutzung des Reduktionsmittels und somit
zur
Erzielung eines möglichst hohen Reduktions-Wirkungsgrades ist ein großer Füllungsgrad
(tiefes Materialbett) des Drehrohrofens erforderlich, damit die sich bildenden Reaktlonsgase
nicht zu rasch in den freien Gas raum oberhalb des Feststoffbettes gelangen und
für die Reduktion weitgehend unwirksam werden. Für einen günstigen großen Füllungsgrad
werden die bekannten Drehrohrofen in der weiter oben geschilderten Weise an ihren
Enden im Durchmesser verengt was dann zu den erwähnten Nachteilen, führt. Hierdurch
wird ein beträchtlicher Teil der relativ leichten Reduktionsmittel aus dem Drehrohrofen
ausgetragen, so daß diese vom Abgas mitgerissenen Anstelle für die Reduktionsarbeit
verloren sind9 abgesehen davon9 daß die mitgerissenen Teilchen häufig - zusammen
mit den vermehrt ausgetragenen Erz- bzw. Eisenschwa.nmstRuben - zu unerwünschten
Ansatzbildungen in Einrichtungen führen, die in Abgasstrdmungsrichtung dem Drehrohr
nachgeschaltet sind.
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Bei einer Direktreduktion im sogenannten Gleichstrom-Verfahren werden
die gesamten Reduktionsmittel mit dem Abgasstrom aufgegeben, wodurch der Verlust
an Reduktionsmittel insgesamt gesehen etwas geringer als beim zuvor erwähnten Gegen
strom-Verfahren ist. Zur Erreichung eines günstigen großen Füllungsgrades muß jedoch
auch hierbei der Ofen in der erwähnten Weise an seinen Enden eingezogen werden5
was dann am abgasseitigen Ende des Drehrohres infolge der hohen Abgasgeschwindigkeit
wiederum zu den bereits mehrfach genannten unerwünschten Erscheinungen führt.
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Sowohl beim Gleichstrom-Verfahren als auch beim Gegenstrom-Verfahren
kann aus den geschilderten Gründen bei den bekannten Drehrohröfen somit nicht mit
den optimalen Füllungsgraden gearbeitet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehrohr der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß es mit einem optimalen Füllungsgrad betrieben
werden kann, ohne daß
dadurch eine merkliche Erhöhung der Abgas-Austrittsgeschwindigkeit
gegenüber der Gasgeschwindigkeit im übrigen Drehrohr erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in das abgasseitige
Ende des Drehrohres ein den Innenraum des Drehrohres im unteren Bereich nach Art
einer Stirnwand abschließender, ortsfest angeordneter Bauteil hineinragt.
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Durch die Wahl der Höhe dieses Bauteiles läßt sich die gewünschte
Tiefe des Feststoffbettes und somit der gewünschte Füllungsgrad im Drehrohr auf
einfache Weise bestimmen. Das.
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erfindungsgemäße Drehrohr kann dann zumindest an diesem abgasseitigen
Ende entsprechend dem größten Teil seiner Länge durchgehend zylindrisch ausgeführt
sein, was seine konstruktive Gestaltung vereinfacht. Diese konstruktive Ausbildung
bringt einen wesentlichen weiteren Vorteil mit sich: Da der in den Innenraum des
Drehrohres im unteren Bereichhineinragende Bauteil in seiner Höhe nahezu mit der
Tiefe des im Drehrohr befindlichen Feststoffbettes übereinstimmt, ergibt sich im
Bereich über dem Bauteil eine freie ffnung, deren Querschnitt annähernd mit dem
Querschnitt im inneren Teil des Drehrohres oberhalb des Feststoffbettes übereinstimmt.
Da weiterhin dieser genannte freie Öffnungsquerschnitt für den Austritt der Abgase
aus dem Drehrohr dient, besitzen die hier austretenden Abgase demzufolge annähernd
die gleiche Geschwindigkeit wie die Gase im Innern des Drehrohres, wodurch sie in
erwünschter Weise nicht in der Lage sind, über das bei vorgegebener Gasgeschwindigkeit
übliche, unvermeidbare Maß hinausgehende Staubmengen bzw. Anteile von leichten,
hier eingeführten Feststoffen mizureißen. Dieser Vorteil sowie der größere Füllungsgrad
des erfindungsgemäßen Drehrohres führen gegenüber den weiter oben erwähnten bekannten
Ausführungsn zu einer beträchtlichen Verbesserung des Wirkungsgrades. Bei einem
als Drehrorofen ausgebildeten und für eine Direkt reduktion von oxydischen
Erzen
verwendeten Drehrohr führt der günstige hohe FUllungsgrad u.a. auch noch zu einer
besseren Ausnutzung der eingebrachten Reduktionsmittel.
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Der in den Innenraum des Drehrohres im unteren Bereich hineinragende,
ortsfeste Bauteil weist zweckmäßig annähernd die Querschnittsform eines Kreisabschnittes
auf dessen teilzylindrischer Außenmantel einen geringen Abstand zum jeweils unten
befindlichen Teil der zylindrischen Innenwand des Drehrohres besitzt.
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Wenn bei einem solchen5 insbesondere als Drehrohrofen eingesetzten
Drehrohr gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der ortsfeste Bauteil
am Feststoff-Einlaufende des Drehrohres'an seiner oberen5 sehnenartigen Seite und
im Bereich über dem untern Ende des im Querschnitt etwa nierenförmigen Feststoffbettes
im Drehrohr eine stark außermittige Vertiefung aufweist, so werden dadurch die in
das Drehrohr einzuführenden Feststoffe (einschließlich eventueller leichter Reduktionsmittel
bei Reduktionsverfahren) am unteren Ende des im Querschnitt nierenförmigen Feststoffbettes
(also ebenfalls außermittig) in das Drehrohr eingebracht. Auf diese Weise werden
die eingeführten Feststoffe sofort in das im Drehrohr befindliche Feststoffbett
eingezogen und rasch damit vermischt, so daß auch frisch aufgegebene leichtere Feststoffteile
praktisch nicht vom austretenden Abgas mitgerissen werden können. Bei einem Einsatz
eines solchen Drehrohres als Drehrohrofen für die Direktreduktion von oxydischen
Erzen werden die Reduktionsmittel somit optimal im Feststoffbett verteilt, wodurch
eine bessere Ausnutzung und somit gegebenenfalls eine Verringerung der einzubringenden
Reduktionsmittel erzielt wird.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter
Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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Es zeigen
Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt
durch das Feststoff-Einlaufende eines als Drehrohrofen ausgebildeten, erfindungsgemäßen
Drehrohres, das fUr die Direkt reduktion von oxydischen Erzen im Gegenstrombetrieb
eingesetzt ist; Fig. 2 einen Querschnitt durch das Drehrohr entlang der Linie II-II
in Fig.1; Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht des Auslaufendes (entland der
Linie III-III in Fig. 4) eines anderen als Drehrohrofen ausgebildeten Drehrohres
der Erfindung, das für die Direktreduktion von oxydischen Erzen im Gleichstrom-Verfahren
eingesetzt ist; Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Drehrohrofen
(Schnittführung entlang der Linie IV-IV in Fig. 3).
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Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Drehrohr
ist beispielsweise als Drehrohrofen ausgebildet und dient zur Durchführung von physikalischen
und/oder chemischen Reaktionen; ein solcher Drehrohrofen ist insbesondere zum Wärmeaustausch
zwischen Feststoffen und Gasen geeignet, die ihn in Längsrichtung durchsetzen. Der
im folgenden beschriebene Drehrohrofen soll für eine Direktreduktion von oxydischen
Erzen eingesetzt und im Gegenstrom betrieben werden, d.h. daß am nicht dargestellten
Feststoff-Auslaufende frische Reduktionsmittel in Richtung des Hauptgasstromes und
entgegen dem Feststoffstrom (pneumatisch) in den Drehrohrofen eingebracht werden;
hierbei wird ein zusätzlicher Frischanteil von Reduktionsmitteln sowie gegebenenfalls
überschüssige, zurUckgewonnene Reduktionsmittel zur Deckung des Reduktionsmittelbedarfs
am Einlaufende in den Drehrohrofen eingeführt.
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Grundsätzlich sei in diesem Zusammenhang erwähnt5 daß immer, wenn
hier und auch beim zweiten Beispiel vom Hauptgasstrom gesprochen wird, die allgemeine
Richtung des Abgases verstanden wird. Bei der Direktreduktion im Drehrohr werden
geringe Mengen eines Heizgases und auf pneumatischem Wege das Reduktionsmittel in
Richtung dieses Hauptgasstromes auPgegeben. Zusätzlich wird noch Luft durch nichtdargestellte
(über das Drehrohr verteilte) ManteldUsen eingeblasen, die am Drehrohr verteilt
angeordnet sind. Diese Luft könnte man in diesem Fall auch als 11Behandlungsgase1V
bezeichnen. Sie wird zur besseren Verwirbelung mit den übrigen Gasen (Reduktionsgase
und Heizgase) entgegen dem allgemeinen Abgasstrom aufgegeben! Der Drehrohrofen weist
ein über seine gesamte Länge zylindrisches Drehrohr 1 sowie einen Einlaufkopf 2
auf. Bei den an diesem Einlaufende des Drehrohrofens eini ringenden Feststoffen
handelt es sich um oxydische Erze 3, die beispielsweise zuvor auf einem Vorwärmrost
oder einer ähnlichen Einrichtung vorgewärmt worden sind, sowie ferner um den Anteil
an Reduktionsmitteln (Pfeil 4), die an diesem Ende des Drehrohrofens eingegeben
werden. Bei diesem Drehrohrofen treten aus dem Einlaufende für das Behandlungsgut
die im Ofen verbrauchten Gase als Abgase aus, die beispielsweise fUr die Vorwärmung
der Erze 3 weiterverwendet werden können.
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An diesem abgasseitigen Ende la des- Drehrohres 1 ragt im unteren
Bereich ein Bauteil 5 in den Innenraum des Drehrohres 1 hinein. Dieser ortsfeste
Bauteil 5 schließt den unteren Bereich dieses Drehrohrendes la nach Art einer Stirnwand
-ab.
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Wie vor allem in Fig. 2 zu erkennen ist5 weist der ortsfeste Bauteil
5 annähernd die Querschnittsform eines Kreisabschnittes auf, d.h. in diesem Falle
besitzt der Bauteil 5
annähernd einen Halbkreis-Querschnitt. Die
obere, sehnenartige Seite 6 des Bauteiles 5 dient zum Teil als eine Art Schurre,
über die die in den Ofen einzubringenden Feststoffe leicht abwärts gleiten. Da sich
das Drehrohr 1 während des Betriebs des Drehrohrofens ständig in Richtung des Pfeiles
7 dreht, ergibt sich in dem Drehrohr 1 ein Feststoffbett 8, das einen etwa nierenförmigen
Querschnitt besitzt und in Drehrichtung des Drehrohres 1 an dessen Innenwand leicht
nach oben wandert, so daß sich dieseFeststoff-Niere in der in Fig. 2 dargestellten
Weise leicht schräg stellt. Zweckmäßig kann in ähnlicher Weise auch der Bauteil
5 mit seiner oberen Seite 6 leicht schräg gestellt angeordnet sein. Dabei bestimmt
die Höhe des Bauteiles 5 die Tiefe des Feststoffbettes 8, wobei der oberhalb der
oberen, sehnenartigen Seite 6 bzw.
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oberhalb dessen relativ dünner Feststoffschicht befindliche freie
Querschnitt des Drehrohrendes la zum Austritt der Abgase (vgl. Pfeil 9) zur Verfügung
steht.
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Der teilzylindrische Außenmantel 10 des Bauteiles 5, d.h. der im
Querschnitt kreisförmige Umfangsteil des Bauteiles 5, besitzt einen geringen Abstand
zum jeweils unten befindlichen Teil der zylindrischen Innenwand des Drehrohres 1.
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Da das Drehrohr 1 relativ zum Bauteil 5 drehbar ist, ist an der Innenwand
dieses Drehrohrendes la in der Nähe der Feststoff-Einlauföffnung eine Läbyrinthdichtung
11 angebracht, durch die der mit Feststoffen gefüllte Teil des Drehrohres 1 bzw.
der teilzylindrische Außenmantel 10 des Bauteiles 5 nach außen hin abgedichtet ist.
Eine weitere Abdichtung 12 umfaßt das Drehrohrende 1a von außen her und ist fest
mit dem Ofeneinlaufkopf 2 verb/unden.
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In ähnlicher Weise wie soeben geschildert könnte auch am - nicht
dargestellten - Feststoff-Auslaufende des Drehrohres 1 ein solcher in den Innenraum
des Drehrohres im unteren Bereich hineinragender Bauteil fest an einem Ofenauslaufkopf
ngeordnet sein.
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Wie aus der geschilderten Beschreibung sowie den Figuren 1 und 2
verständlich sein dürfte, läßt sich durch eine entsprechende Ausbildung des ortsfesten
Bauteiles 5 praktisch ein beliebiger Füllungsgrad des Drehrohres 1 erreichen, wobei
dann in jedem Falle der freie Austrittsquerschnitt für die Abgase (Pfeil 9) annähernd
genau so groß ist wie der Strömungsquerschnitt innerhalb des Drehrohres 1 und oberhalb
des Feststoffbettes 8. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Abgase etwa mit
der gleichen Strömungsgeschwindigkeit aus dem Drehrohr 1 austreten, mit der die
Behandlungsgase das Innere des Drehrohres 1 durchsetzen, wobei diese Geschwindigkeit
dann so angemessen ist, daß höchstens geringe, vernachlässigbare Feststoffanteile
von den Abgasen mitgerissen werden.
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Wie bereits erwähnt, werden bei dem hier beschriebenen und veranschaulichten
Drehrohrofen-auch Reduktionsmittel 4 mit den oxydischen Erzen 3 in das Drehrohr
1 eingeführt. Da zumindest diese Reduktionsmittel verhältnismäßig rasch in dem im
Drehrohr 1 befindlichen Feststoffbett 8 untergemischt werden sollen, weist die obere,
sehnenartige Seite 6 des ortsfesten Bauteiles 5 eine im Bereich über dem unteren
Ende 8a des im Querschnitt etwa nierenförmigen Feststoffbettes 8 eine stark außermittige
Vertiefung 13 auf, die die eingebrachten Feststoffe derart auf das Materialbett
8 abgibt, daß sie sofort von der sich in Richtung der Pfeile 14 umwälzenden Feststoffniere
(vgl. Fig. 2) eingezogen werden. Auf diese Weise werden vor allem auch die in diesem
Bereich eingebrachten Reduktionsmittel 4 sehr rasch und gleichmäßig im Materialbett
8 verteilt, so daß sie in optimaler Weise ausgenutzt werden können.
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Aufgrund dieser außermittigen und sofortigen Einbringung der frischen
Feststoffe in das Feststoffbett 8 wird weiterhin die Möglichkeit verringert, daß
durch die austretenden Abgase
(Pfeil 9) leichtere Feststoffteilchen
mitgerissen werden.
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Zu diesem Zweck ist es ferner günstig, wenn die einzuführenden Reduktionsmittel
- beispielsweise mit Hilfe einer Förderschnecke oder dergleichen - an einer Stelle
(15) unter der Oberfläche der übrigen einzubringenden Feststoffe (in diesem Falle
der oxydischen Erze 3) eingeführt werden..
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Auch bei dem in den Figuren 3 und 4 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist das Drehrohr als Drehrohrofen ausgestaltet, der ebenfalls zur
Direktreduktion von oxydischen Erzen dient, hierbei jedoch nach dem sogenannten
Gleichstrom-Verfahren arbeitet, bei dem die gesamten Feststoffe an einem Ende des
Drehrohres aufgegeben werden, dieses gemeinsam in einer Richtung (in Längsrichtung)
mit dem Hauptgasstrom durchsetzen und dann am Auslaufende - ebenfalls gemeinsam
- verlassen.
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Das Drehrohr 20 dieses Drehrohrofens ist im wesentlichen genauso
ausgeführt wie das Drehrohr 1 des ersten Ausführungsbeispieles, d.h. es kann ebenfalls
über seine ganze Länge vollkommen zylindrisch ausgebildet sein. In den Innenraum
des Feststoff-Auslaufendes 20a, das in diesem Falle gleichzeitig das abgasseitige
Ende des Drehrohres 20 darstellt, ragt ein ortsfest angeordneter Bauteil 21 hinein,
der fest mit dem Ofenauslaufkopf 22 verbunden ist. Dieser Bauteil 21 schließt den
unteren Bereich des Feststoff-Auslaufendes 20a ebenfalls nach Art einer Stirnwand
ab und ist im wesentlichen genauso ausgebildet wie der Bauteil 5 am Einlaufteil
des anhand der Figuren 1 und 2 geschilderten Ausführungsbeispieles. Da die Fest
stoffe 23 an diesem Drehrohrende 20a aus- und nicht eingetragen werden, kann natürlich
die an der Oberseite 6 des oben beschriebenen Bauteiles 5 vorgesehene Vertiefung
13 entfallen.
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Statt dessen ist es zweckmäßig, wenn bei diesem ortsfesten Bauteil
21 eine etwa mittige Vertiefung 24 an der oberen, sehnenartigen Seite 25 vorgesehen
ist, wobei dieser Bauteil 21 vom höher gelegenen Teil 25a seiner oberen Seite 25
her zur mittigen
Vertiefung 24 hin sowie in Auslaufrichtung (Pfeil
26) abgeschrägt ist. Hierbei unterschneidet der höher gelegene Teil 25a der oberen
Bauteilseite 25 das im Drehrohr 20 befindliche und sich zum Auslauf hin bewegende
Feststoffbett 23, so daß die fertig behandelten Feststoffe (also hier die reduzierten
Erze) gleichmäRig und etwa mittig auslaufen können.
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Damit die am - nicht dargestellten - Einlaufende des Drehrohres 20
von den übrigen Fest stoffen getrennt einzubringenden Zuschlagstoffe (hier Reduktionsmittel)
ebenfalls rasch und gleichmäßig dem Feststoffbett untergemischt werden können, kann
am Feststoff-Einlaufende dieses Drehrohrofens ebenfalls ein ortsfest angeordneter
Bauteil in das Innere des Drehrohres hineinragen, wobei dieser Bauteil dann praktisch
genauso ausgeführt ist wie der anhand des ersten Ausführungsbeispieles beschriebene
Bauteil 5.
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Die Enden dieses Drehrohres 20 sind ebenfalls mit Labyrinthdichtungen
11' (am Innenumfang im Bereich der Endöffnung) sowie mit Außenumfangsdichtungen
12' ausgerüstet.
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Für die Strömungsverhältnisse und die Geschwindigkeit der Abgase
(Pfeil 27) gilt das gleiche, was in diesem Zusammenhang beim ersten Ausführungsbeispiel
gesagt ist. Es können somit auch hier praktisch keine oder zu vernachlässigende
kleine Mengen leichter Fest stoffe mit den austretenden Abgasen mitgerissen werden.
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Ein erfindungsgemäßes Drehrohr läßt sichselbstverständlich auch in
anderer Weise als hier beschrieben einsetzen.
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So kann es beispielsweise bei entsprechender konstruktiver Ausgestaltung
als Drehrohrofen für andere Materialien oder als Kühlrohr für heiRe Fest stoffe
eingesetzt werden.