DE2437416A1 - Verfahren zur waermeuebertragung in der wirbelschicht und hierfuer geeignete vorrichtung - Google Patents

Description

ALUMINIUM PECHINEY
28, rue de Bonnel 69003 IYON Frankreich

Verfahren zur Wärmeübertragung in der Wirbelschicht und hierfür geeignete Vorrichtung

Die. Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Wärmeübertragung von einem Heizgas auf ein Wirbelgut sowie

in eine hierfür geeignete Vorrichtung für den direktem Kontakt zwischen Wärmeträger (Gas) und zu behandelnden Gut (Wirbelgut).

In zahlreichen chemischen Verfahren werden pulver in direktem.Kontakt mit Rauchgas gebraunt oder zersetzt (pyrolysiert). Beispiele hierfür sind das Brennen von Zement, Kalk sowie das Entwässern von wasserhaltigen Aluminiumoxiden zur Herstellung von Tonerde. Bei diesen Brenn- und Zersetzungsvorgängen entstehen gasförmige Reaktionsprodukte (Kohlendioxid,Wasserdampf). Wenn diese freigesetzten Gase eine Pluidisierung der Pulver bewirken,spricht.

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man von einem "Autofluidisieren". Das Brennen oder Entwässern geschieht im allgemeinen in einem Drehofen, der leicht gegen die Horizontale geneigt ist. Das Aufgabegut durchwandert den Ofen von oben nach unten, während die Heizgase im Gegenstrom von unten nach oben geführt werden. Damit wird ein guter Kontakt zwischen Gas und Feststoff gewährleistet.-

Die Autofluidisierung führt zu einer Durchmischung des Aufgabeguts und damit zu einem besseren Wärmeübergang von den Gasen auf das Gut. Andererseits, wird der Wärmeübergang durch bei der Autofluidisierung auftretenderEffekte beeinträchtigt. Es kommt zu einem Gleiten oder Rutschen des Gutes durch Verringerung des Schutt- oder Böschungswinkels. Von dem Gasstrom hoher Geschwindigkeit wird ein beträchtlicher Anteil an pulVerförmigemGut mitgerissen, dies wird noch begünstigt durch die Einbauten zur Verbesserung der Berührung von Heizgas mit Gut, und schließlich ist die Wärmebilanz bei einer Autofluidisierung negativ.

Bei Öfen zur Herstellung von Tonerde aus Aluminiumoxidhydraten wird neben dem Ofenaustrag auch noch von den Gasen mitgerissenes Material (Plugstaub) erhalten, wobei der Plugstaub häufig das 1,5-fache des Ofenaustrags ausmachen kann. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit des Einbaus aufwendiger Entstaubungsanlagen, wobei andererseits der Wärmeübergang wenig zufriedenstellend ist. Bei .einem Drehofen für eine Leistung von 40 t/h Tonerde muß man mit einem Plugstaubanteil von 60 t/h mit nur teilweise entwässertem Aluminiumoxidhydrat rechnen, weil der Plugstaub zum überwiegenden Teil aus Zonen geringerer Temperatur stammt. Ist das Aufgabegut ein Aluminiumoxidhydratkuchen mit 13 5^ Wasser, so benötigt man je t Tonerde bei einem Luftüberschuß von 11,6 ^δ 120 kg Brennstoff. Der Wasserwert der gesamten Abgase

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des Ofens beträgt 35 t/h und des Flugstaubs zumindest 30 t/h. Der Wasserwert des Abgases und des Flugstaubs liegt also in der gleichen Größenordnung. Die Abkühlung der Abgase und die Temperaturerhöhung des Flugstaubs in dem Wärmeaustauscher kann somit nic&t mehr als etwa die Hälfte der Temperaturdifferenz dieser beiden Medien bei Eintritt in den Ofen sein. Dieser Betrag wird noch herabgesetzt durch die Notwendigkeit des -für den Wärmeübergang erforderlichen Temperaturunterschieds und durch eine gewisse Verdünnung durch Falschluft am Ofenausgang.

Es ist bekannt, daß man diese Nachteile teilweise dadurch beheben kann, daß man nach dem Drehofen einen Wärmeaustauscher vorsieht, wobei es sich dabei um eine Reihe mehrerer Vorrichtungen im Gleichstrom handelt, wobei jedoch die Gesamtströmungsrichtung gegenläufig ist. Der Transport des Wirbelguts erfolgte in der Wirbelschicht, Es wurde in Serie eine gewisse Anzahl von vertikal versetzten Zyklonen vorgesehen.

Dadurch wird die Leistung verbessert, was sich durch eine Einsparung von 20 kg Brennstoff je Tonne Tonerde zeigt. Da dabei auch ein Teil dee beabsichtigten Wärmeaustausches stattfindet, kann der Drehofen kürzer dimensioniert sein.

Die Anlagen zeigen jedoch folgende Nachteile: Die Investitionskosten sind beträchtlich, die 3 Zyklonenstufen erfordern einen 40 m hohen Turm mit oberer Aufgabe, eine bestehende Anlage läßt sich nur schwer durch derartige Wärmeaustauscher modifizieren, eine solche Anlage·ist für einen bestimmten Durchsatz ausgelegt und besitzt praktisch keine Flexibilität, die Druckverluste der Zyklonen führen letztlich zu einem beträchtlichen Energieaufwand, die Aufgabe des Aluminiumoxidhydrates ist diffizil und der

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pneumatische Transport führt zu einem erhöhten Abrieb.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren und ein Wärmeaustauscher, in dem als Wärmeträger ein Heizgas dient und das zu behandelnde Gut fluidisiert ist, wobei obige Nachteile vermieden werden. Nach der Erfindung ist die Strömungsrichtung des Heizgases horizontal. In dieses sind einerseits eine Anzahl von im wesentlichen vertikalen Rohren vorgesehen j in denen die Wirbelschicht des Gutes sich von oben nach unten bewegt, und andererseits eine Anzahl von im wesentlichen vertikalen Rohren, in denen sich die Wirbelschicht des Gutes von unten nach oben bewogt. In diesem Rohrsystem ist eine kontinuierliche Zirkulation des Wirbelgut es gewährleistet, worauf die überraschend bessere Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung beruht. Die Dichte des Wirbelgutes in den ersten Rohren ist höher als in den zweiten Rohren, wodurch ein unterschiedlicher oder differenzieller Wirbelzustand erreicht wird.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Anlage zum Brennen von Aluininiunoxidhydrat zu Tonerde.

Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt durch diese Vorrichtung entlang eines Rohres.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers und

Fig. 4 zeigt eine Variante dieser Anlage.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage dient zum Entwässern von Aluminiumoxidhydrat. Eine Anlage zur Herstellung von z.B. Zement wäre analog.

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Dem Drehofen 1 wird„am Austragende 5 luft 2 zugeführt und am Aufgabeende Abgas 3 entnommen. Das in den Drehofen eingespeiste Gut kommt aus einem Wärmeaustauscher 6iin dessen

aus dem Raum 7 der Heizgaseintritt 8 mündet und der Abgasaustritt abzweigt. In dem Raum 7 befinden sich im wesentlichen vertikale Rohre, die an der einen Seite mit der Gutaufgabe 10 und auf der anderen Seite mit dem Gutaustritt 11,der in den Ofen 1

sind. '

führt j versehen. Die Aufgabe des Gutes in den Wärmeaustauscher geschieht über eine Chargiervorrichtung 12. Aus dem Wärmeaustauscher 6 durch den Abgasaustritt 9 verlassendes Abgas gelangt zu einem Gasreiniger 13, z.B. ein Elektrofilter und dann in den Schornstein 14.

Die Verbrennungsgase des (nicht gezeigten) Brenners, mit der bei 2 eintretenden Verbrennungsluft geben ihre fühlba.re Wärme beim Durchgang durch den Ofen 1 an das Gut ab, treten als Rauchgas bei 3 aus dein Ofen aus und bei 8 in den Wärmeaustauscher ein, den sie nach weiterer Abgabe ihrer fühlbaren Wärme bei 9 verlassen.

WirbeLgut
Das als aus Ti ankommende feuchte Aluminiumoxidhydrat wird im Wärmeaustauscher 6 getrocknet und vorgewärmt und tritt üb.er und 4 als Heißgut in den Ofen ein, wo in Berührung mit dem Verbrennungsgas die vollständige Entwässerung stattfindet.

Zwischen Gutaufgabe 10 und Gutaustritt 11 des Wärmeaustauschers wird das Gut bei zunehmender Temperatur und zunehmendeni,Entwässerungsgrad unter gleichzeitiger Abkühlung des Heizgases mehrfach umgewälzt. In den dafür vorgesehenen Stufen von vertikalen Rohren wandert das Gut in der ersten Rohrreihe von unten nach oben und in der zweiten Rohrreihe von oben nach unten. Jede Reihe weist zumindest ein Rohr auf. In jedem Rohr befindet sich das Gut in fluidisiertem Zustand, also in Form einer Wirbelschicht. Die Strömungsrichtung in

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den beiden Rohrreihen ist also gegenläufig. Diese kontinuierliche Wanderung der Tonerdewirbelschicht beruht auf einem unterschiedlichen Zustand der Wirbelschicht selbst. Die Wirbelgutdichte in den Rohren mit absteigender Bewegungsrichtung ist höher als in den Rohren mit aufsteigender Bewegungsrichtung.

Die Konstruktion des Wärmeaustauschers wird davon abhängen, ob man ein Trägergas wie Luft für die Fluidisierung benötigt oder das System auf einer Autofluidisierung beruht.

Der Wärmeaustauscher nach Pig. 2 zeigt mehrere Rohrstufen innerhalb des Wärmeaustauscherraums 7. Jede Stufe weist ein praktisch vertikales Rohr 15 mit absteigender Bewegungsrichtung und ein Rohr 16 mit aufsteigender Bewegungsrichtung auf. Die Rohre 15 j 16 sind an ihrem unteren Ende über die Verbindung 17 verbunden. Die Verbindung zwischen den einzelnen Stufen, nämlich zwischen Rohr 16 der einen Stufe und Rohr der nächsten Stufe,geschieht jeweils über die Verbindung am oberen Teil der Rohre. Alle Rohre 15 sind mit einem Stutzen 19 bzw. 16 mit Stutzen 20 versehen. Diese Stutzen dienen zur Zuführung von Trägergas und zwar in die Rohre mit absteigender Bewegung unter einem Druck ρ und in die Rohre 16 für aufsteigende Bewegung unter einem Druck P. Das Heizgas strömt die Rohre 15 | 16 im Kreuzstrom in Richtung von 8 nach 9 im Wärmeaustauscherraum 7 an. Man erhält also im Rohr 15 einen geringeren Luftdurchsatz als im Rohr 16. Folglich ist die Wirbelschicht in dem Rohr 15 hinsichtlich des Wirbelgutes dichter als in dem Rohr 16. Da sich im allgemeinen eine Wirbelschicht wie eine Flüssigkeit bestimmter Dichte verhält, bewirkt dieser Dichteunterschied die Zirkulation durch die Rohre 15 j 16 in Richtung der Pfeile 21.

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Die Rohre 15 »16 können auch aus im wesentlichen vertikalen parallelen Abzweigungen bestehen (Eohrbündel) und sind oben und unten jeweils zusammengefasst.

Das ankommende feuchte Alutniniumoxidhydrat tritt bei 10 in uas erste Rohr 15 mit absteigender Bewegungsrichtung ein, durchströmt kontinuierlich alle Rohrstufen und verläßt den Wärmeaustauscher nach dem letzten Rohr 16 für aufsteigende Bewegungsrichtung über den Gutaustritt 11.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform eines Wärmeaustauschers nach der Erfindung. Auch hier sind in dem Wärmeaustauscherraum 7 mindestens eine jedoch häufig mehrere Austauscherstufen vorgesehen. Jede derartige Stufe weist ein praktisch vertikales Rohr 23 für aufsteigende Bewegungsrichtung und Rohr 22 für absteigende Bewegungsrichtung auf, wobei der Durchmesser des Rohres 22 größer als der des Rohres 23 ist. Die Verbindung der beiden Rohre erfolgt hier oben über eine Mischkammer 24 bzw. unten über eine Wirbelkammer 25. Die Mischkammern 24 sind untereinander durch die Verbindungen 26 verbunden, über die in die erste Mischkammer führende Verbindung 26 erfolgt der Eintritt des Gutes und analog wird aus der letzten Mischkammer das Gut ausgetragen. Da die Autofluidisierung auf einer Gasentwicklung durch Erwärmen des Gutes mit dem Heisgas beruht·, ist in den dickeren absteigenden Rohren die Wasserdampfgeschwindigkeit geringer als in den dünneren aufsteigenden. Dieser Unterschied beruht auf dem Querschnittsunterschied der Rohre und dem dort herrschenden Wärmedurchgang,der geringer ist als in dem aufsteigenden Rohr und zwar aufgrund der geringeren Austauscherfläche in den dickeren Rohren für

oxid
gleiche Aluminiummenge und den geringeren Wärmeübergangskoeffizient Heizgas/Rohrwand für dickes Rohr gegenüber dünnem Rohr.

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Das über 10 der ersten Mischkammer 24 zugeführte Gut gelangt direkt in die Wirbelschicht der ersten Stufe, wo es sofort eingemischt wird aufgrund der in der Wirbelschicht herrschenden Turbulenz. Darin ist das Gut ja weitgehend trocken und hat im Mittel eine Temperatur zwischen 130 und 16O⁰C. Das bei 11 ausgetragene Aluminiumoxid enthält noch etwa 11 fo gebundenes Wasser bei etwa 50O⁰Cj der mittleren Temperatur in der letzten Stufe. Das letzte Mol Wasser wird erst im Drehofen bei etwa 700⁰C abgespalten.

Das Haupthindernis beim Wärmeübergang ist ein gewisser Abgasfilm, wie allgemein bekannt. Es ist daher eine indirekte Beheizung mit aus dem Drehofen kommenden Heizgasen in Querströmung besonders günstig. Man erreicht auf diese Weise einen Wärmeübergangswert von 50 kcal/h· m für Rohre mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Gastemperatur von 500⁰C bei Gasgeschwindigkeiten von etwa 6 bis 8 m/s. Bei einer Tagesleistung von 1000 t Tonerde wird eine Austausch-

fläche von etwa 1500 m benötigt, wenn man von einem Aluminiumoxidhydrat von 60⁰C und einem Feuchtigkeitsgehalt von 15 i» ausgeht und zu einer Tonerde mit 11 $ gebundenem Wasser und JOO⁰C kommen will. Ein solcher Wärmeaustauscher für einen üblichen Drehofen gestattet eine Einsparung von 15 bis 20 kg Brennstoff je Tonne Tonerde ohne zusätzlichem Strombedarf gegenüber einem bekannten Austauschersystem mit mehreren hintereinander angeordneten Zyklonen.

In Pig. 4 ist ein einstufiger Austauscher gezeigt, wobei das Rohr 22 für absteigende Wirbelschicht außerhalb des Austauscherraumes 7 angeordnet ist.

Eine Versuchsanordnung nach Fig. 3 jedoch mit nur einer Stufe hatte ein Rohr 22 mit einem Durchmesser von 222 mm und einer Länge von 5 mm (Austauscherfläche 3,5 m ) und 16 Rohre 23

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für die aufsteigende Bewegungsrichtung mit einem Durchmesser von 54 mm und einer Länge von 5 m (Austauacherfläche 13,6 m ). Damit ist die Fläche der gesamten Rohre 23 4x größer als die des Rohres 22. Der Wärmeübergangskoeffizient K ist in erster Näherung verkehrt proportional der Quadratenwurzel des Rohrdurchmessers, woraus sich für ein Rohr von 54 mm K = 50 cal/h im« grd und für, ein Rohr mit 222 mm K = 25 cal/h ι m² * gr-d ergibt.

Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Rohren erreicht 5 bis 2O⁰C je nach Speisegeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit. Die Wasserdampfentwicklung ist daher in den dünnen Rohren sehr viel größer als in den dicken, um so mehr als bei bestimmten Temperaturen die Bntwässerungsreaktion sehr temperaturabhängig ist. Die Gutgeschwindigkeit in den dicken Rohren mit absteigender Bewegungsrichtung beträgt 1,5 bis 3 m /min. Die umlaufende Menge entspricht etwa dein 4 bis 8-fachen Austrag aus dem'Wärmeaustauscher.

Die Erfindung läßt sich für jeden Wärmeaustauch zwischen einer gasförmigen und einer festen Phase mit wirbelfähiger Korngröße anwenden.

Patentansprüche

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wärmeübertragung von einem Heizgas auf ein Wirbelgut, wobei das Heizgas im wesentlichen horizontal geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wirbelgut kontinuierlich durch eine

1. Reihe von vertikalen Rohren von oben nach unten und in einer 2. Reihe von vertikalen Rohren von unten nach oben führt, wobei man in der 1. Rohrreihe eine Wirbelschicht höherer Dichte als in der 2. Rohrreihe einhält,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet ,daß man als Trägergas für die Wirbelschicht das bei der Erwärmung des Wirbelguts freigesetzte Gas verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man die 2. Rohrreihe mit mehr Wärmeenergie aus den Heizgasen beaufschlagt als die 1. Rohrreihe.

4. Wärmeaustauscher zur Durchführung dea Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3» enthaltend einen Raum(7)mit Heizgaseintritt(e) und Abgasaustritt(9)und Austau'scherrohrenin vertikaler Richtung für Kreuzstrom, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Rohre(22)für absteigende Bewegungsrichtung und ein oder mehrere Rohre(23)für aufsteigende Bewegungsrichtung, oben verbunden jeweils über Mischkammern(24) und unten

Mischkammern über Verbindungen _t

Durchmesser der Rohre (22) größer als der der Rohre (23) ist.

g, j (4)

verbunden jeweils über Wirbelkammern(25)jwobei die rn über Verbindungen (26) verbunden sind _t und der

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5. Wärmeaus tausclier nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß mehrere dünne Rohre (23) mit einem dicken Rohr (22) zusammenwirken.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß sich das Rohr (22) außerhalb und die Rohre (23) innerhalb des Raumes (7) befinden.

7· Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 zum teilweisen Entwässern von feuchtem Aluminiumoxidhydrat.

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