DE2634615A1

DE2634615A1 - Lichtbogen-erhitzersystem zur erzeugung einer hohen waermeenergie

Info

Publication number: DE2634615A1
Application number: DE19762634615
Authority: DE
Inventors: Maurice G Fey
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1975-08-11
Filing date: 1976-07-31
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2321226B1; JPS5220452A; GB1559878A; JPS593838B2; CA1060107A; FR2321226A1; US4013867A

Description

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 MÖNCHEN 71, 2y. Juli

Melchloretraße 42

wein Zeicnen:

Westinghouae Electric Corp. Gateway Center, Pittsburgn, Pennsylvania 15222, USA

Lichtbogen-Erhitzersystem zur Erzeugung einer hohen

Wärmeene rgie.

Die Erfindung betrifft ein Licntbogen-Erhitzersystem, das zur Erzeugung einer hohen Wärmeenergie dienst und mit Wechselstrom der normalen Netzfrequenz betrieben wird. Dieses Erhitzersystem kann mit einer Vielzahl von Gasen betrieben werden, in deren At mosphäre eine Oxydation oder Reduktion stattfindet. Es können aber auch Gase Verwendung finden, in deren Athmosphäre keine Reaktion abläuft.

Es ist ein Lichtbogenerhitzer bekannt, der als Einpriasen-Erhitzer betrieben wird, bei dem sowohl die Schwingungsform der angelegten Leistung als auch das Enthalpieniveau des Arbeitsgases sinusförmig verläuft. Die Fluktuation des Enthalpieniveaus wird als Ursache für die Verstärkung des Abkühlungsphänomens bei Gasreaktionen angesehen, wie dies bei der Herstellung von Azetylen aus leichten Kohlen-

1 Wasserstoffen

709808/0785

Wasserstoffenj bei der Gewinnung von Stickstoff aus der Luft bezw. bei der Gewinnung von reinem Stickstoff und Sauerstoff der Fall ist. Dies ist durcn den geringeren gemessenen spezifischen Energiebedarf, verglichen mit anderen Einrichtungen augenscheinlich, welche mit Gleichstrom betrieben werden und von denen angegeben wird, daß sie eine konstante Plasmaenthalpie haben. Ks wurde z. B. festgestellt, daß der Energiebedarf für eine Wechselstrom-Lichtbogenerhitzer-Anlage in der Größenordnung von 3_S7 kWh pro 0,45 kg Azetylen liegt, welches aus Methan gewonnen wird, wogegen der Energiebedarf bei etwa 4,7 kWh pro 0.45 kg Azetylen für Gleichstrom betriebene Lichtbogenerhitzer -Anlagen ist.

Der für gasförmige Reaktionen vorteilhafte Einphasen-Lichtbogenerhitzer ist von Nachteil, wenn feste Beschickungsmaterialien erhitzt werden sollen, da die festen Teilcnen in die Licntbogenströmung während des unteren Teils der Leistungswelle injiziert werden und daher in einer kalten Gasschicht eingefangen werden, sodaß sie nicht genügend erhitzt werden und die gewünschte ASbeitstemperatur nicht erreichen. Ein Beispiel, bei dem dieses Phänomen auftreten kann, wenn die Betriebsbedingungen nicht exakt eingehalten werden, ist die chemiscne Reaktion, die bei einer hohen Temperatur zwischen dem lichtbogenerhitzten Gas und pulverisiertem Erz abläuft, welches zu Reduktion in den Gasstrom entsprechend der US-PS 3· 765. 870 injiziert wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lichtbogen-Erhitzersystem zu schaffen, das eine ausgeglichene Last für eine Stromversorgungsquelle darstellt und frei von LeistungsSchwankungen und den davon abhän-

2 genden

709808/078S

genden Gasenergieschwankungen ist, welche ihrerseits Schwankungen des resultierenden Gasdruckes und der resultierenden Gasgeschwindigkeit auslösen. Ferner soll die Kapazität pro Phaseneinheit vergrößert werden, indem die Vermischung der Beschickungsmaterialien besser mit dem lichtbogenerhitzten Gas erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine Vielzahl von Lichtbogenernitzern an einem Gehäuse am Umfang verteilt in radialer Richtung angeordnet sind und jeweils eine äußere Elektrode und eine innere Elektrode umfassen, wobei zwischen der inneren und der äußeren Elektrode ein umlaufender Spalt vorgesehen ist, daß ferner die Lichtbogenerhitzer an ein Mehrphasen-System in Sternschaltung angeschlossen sind, wobei der Sternpunkt mit dem Gehäuse und Masse verbunden ist und die Phasenleitungen an den äußeren Elektroden liegen, sodaß sich die Lichtbogen von den äußeren Elektroden zu der Lichtbogenkammer erstrecken und dort ineinander übergehen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durcn die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilnafter Weise das Leistungsvermögen von Lichtbogen-Ernitzersystemen wesentlich vergrößert, indem insbesondere das zugeführte Beschickungsmaterial über einen axial verlaufenden Bereich der Lichtbogenkammer zugeführt wird, in dem sich die mehrphasigen Lichtbogen vereinigen und in einem größeren Volumenbereich des lichtbogenerhitzten Gasstrahles diesen durchfallen. Durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die in der nachfolgenden Be-

schreibung - 3 -

7O98Ü8/078B

Schreibung nicht näher erläutert ist, kann die Verwirbelung in der Lichtbogenkammer der Beschickungsmaterialien weiter vergrößert werden, indem die Licht bogenerhitzer etwa tangential an der Peripherie der Lichtbogenkammer angeordnet sind.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sicn auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnittenen Dreiphasen-Licntbogenerhitzers.

Fig. 2 einen schematischen Horizontalschnitt durch den Lichtbogenerhitzer mit der zugeordneten elektrischen Schaltung.

Fig. 3 einen schematischen Vertikalscnnitt durch eine andere Ausführungsform des Lichtbogenerhitzers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist· ein Lichtbogen-Erhitzersystem 5 drei Lichtbogenerhitzern 9 und einem Gehäuse 7 sowie eine Reaktionskammer 11 dargestellt. Das Gehäuse 7 ist hohlzylindrisch aufgebaut und schließt mit doppelten Wänden 15 und 16 die Lichtbogenkammer 13 ein. Zwischen den beiden Wänden Ib und 16 des Genäuses ist ein Kühlraum 19 vorgesehen, durch den Kühlwasser strömt. Am oberen Ende des Gehäuses 7 ist ein Einlaß 21 angebracht, durch welchen Bescnickungsmaterial 23 in fester Form in die Lichtbogenkammer 13 eingeführt

werden - l» -

709808/0785

werden kann. Wenn ζ. B. das Lichtbogensystem zur Reduktion von Eisenerz zum reinen Metall wie z.B. die Reduktion von Fe^Q-z zu Eisen Verwendung findet, besteht das Beschickungsmaterial 23 aus Eisenerz. Das untere Ende des Genäuses 7 ist offen und geht in das Innere einer Reaktionskammer über.

Obwohl die Zeicnnung einen Dreiphasen-Lichtbogenerhitzer zeigt, ist es selbstverständlich, daß das Lichtbogenerhitzer-System auch mit zwei oder mehr als drei Licntbogenerhitzern aufgebaut sein kann, je nach dem gewünschten Anwendungszweck. Die Lichtbogenerhitzer 9 sind grundsätzlich in ihrem Aufbau durch die US-PS 3.705.975 bekannt und sind gleichartig aufgebaut. Jeder Licntbogenerhitzer 9 ist als Einphasen-Anordnung ausgebildet, und Kann eine Leistung bis zu etwa 3·500 kW aufnehmen, so daß ein Dreiphasen-System eine Leistung bis zu 10.000 kW erbringen kann. Jeder einzelne Lichtbogenernitzer 9 besteht aus zwei hohlzylindrischen Kupferelektroden 25 und 27, zwischen denen ein Spalt von etwa 1 mm ausgebildet ist, der an eine Leistung mit Netzfrequenz von etwa H kV angepaßt ist. Beim Anlegen der Spannung zündet der Lichtbogen im Spalt 29 und wird durch das zugeführte Beschickungsgas 31 aus dem Spalt heraus in die Lichtbogenkammer 33 getrieben, wie dies durch den Pfeil 35 angedeutet ist. Die Lichtbogenkammer selbst wird durch die axial aufeinander ausgerichteten Kupferelektroden 25 und 27 gebildet. Der Lichtbogen 31 läuft mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.000 Umläufen pro Sekunde durch die Wechselwirkung des Wechselstromes in der Größenordnung von mehreren Tausend Amper und des magnetischen Gleichfeldes um, welches durch die Spulen 37 und 39 erzeugt wird.

5 Diese

709808/0785

^. WS75P-1493

Diese Gescnwindigkeiten führen zu einem sehr hohen Wirkungsgrad für eine Vorrichtung dieser Art. Die ausgangsseitige Enthalpie, d. h. der ausgangsseitige Wärmeinhalt, kann größenordnungsmäßig bis etwa 3.7OO kcal (I5.OOO BTU per pound) oder 0,45 kg am Ausgang der Lichtbogenkammer leicht erreichen, wenn bei einem guten thermischen Wirkungsgrad Methan Verwendung findet. Das Beschickungsgas 31 tritt in die Lichtbogenkammer durch den Spalt 29 ein und fließt in Richtung auf das Gehäuse 7·

Gemäß Fig. 2 erstreckt sich der Lichtbogen 31 in die Lichtbogenkammer 13 und vereinigt sich mit den entsprechenden Lichtbogen 31 der übrigen Erhitzer. Dabei kann jeweils der Lichtbogen die Elektroden 27 passieren, ohne auf diesen zu enden und in einen der anderen Lichtbogen 31 übergehen. Auf diese Weise entsteht ein Dreiphasen-Lichtbogenerhitzersystem, bei dem Y-förmig zusammengeschaltete selbststabilisierte Lichtbogenerhitzer in eine gemeinsame Lichtbogenkammer arbeiten, in der sich die von den jeweiligen Elektroden 25 ausgehenden Lichtbogen vereinigen.

Die elektrische Schaltung für einen derartigen Dreiphasen-Lichtbogenerhitzer ist in Fig. 2 angedeutet und besteht aus einer Y-Schaltung mit den Wicklungen 41, 43 und 45, die im Sternpunkt 47 zusammengeschaltet sind. Die anderen Enden der Phasenwicklungen liegen an den Leitern 49, 51 und 53 und steuern die jeweiligen Elektroden 25 der Lichtbogenerhitzer 9 an. Der Sternpunkt 47 ist über die Leitung 55 mit Masse verbunden, die auch an das Gehäuse 7 angeschlossen ist. Die Wicklungen 41, 43

- 6 und

709808/078S

und ^5 stellen in herkömmlicher Weise die Sekundärwicklungen eines Dreiphasen-Transformators dar, dessen Primärwicklungen von einer Wecnselstromquelle aus angesteuert werden.

Für eine Phase des Wechselstromzyklus fließt der Strom durch die Wicklung 4l,den Leiter ^9, einen Strombegrenzer 6l zur Elektrode 25 und von dort über den Lichtbogen 31 zu einer der anderen Elektroden 25 in einen benachbarten Lichtbogenerhitzer 9· Von da aus fließt der Strom über einen Strombegrenzer 63 und den Leiter 53 zur Wicklung 43 des Transformators. Bei der nächsten Phase des Zyklus wird ein anschließendes Paar von zwei Lichtbogenerhitzern angesteuert, so daß entsprechend dem Phasenumlauf des Stromes der Lichtbogen 31 intermittierend auf zwei von drei Elektroden 25 überspringt und dabei sich in der in Fig.'2 dargestellten Weise durch die Lichtbogenkammer 13 erstreckt. Die Kondensatoren 67, 69 und 71 dienen der Einstellung des Leistungsfaktors.

Im Betrieb wird das aus festen Teilen'bestehende Beschickungsmaterial 23 in die Lichtbogenkammer 13 eingeführt, wobei es durch den Bereicn 57 fällt, in dem sich die Lichtbogen 31 vereinigen und in welchem die geeignete Gasatmosphäre entweder eine Oxidation , eine Reduktion .erfährt oder unbeeinflußt bleibt und dadurch entweder seine chemische oder physikalische Eigenschaft verändert, wobei es anschließend durch die Lichtbogenkammer 13 in die Reaktionskammer 11 fällt, in der es gesammelt und über einen Auslaß 59 abgeführt wird.

Das - 7 -

7098 0 8/0785

Das Dreiphasen-Lichtbogensystem gemäß B'ig. 1 und 2
stellt eine Quelle für sehr hohe Wärmeenergien dar
und unterstützt die Durchführung bestimmter Reaktionen. Die Reaktion hängt von der Art dea zugeführten festen Beschickungsmaterials 23 ab und ebenso auch von dem Gas, das für die Reaktion benötigt wird und
durch den Spalt 29 an den einzelnen Lichtbogenerhitzern zugefünrt wird. Zum Beispiel kann das Lichtbogensystem zum Reduzieren von Eisenerz (Fe„CL·) verwendet werden, indem ein reduzierendes Gas z. B. Methan (CH₁.) in den Lichtbogenerhitzer eingeleitet wird. Das reduzierte
Eisen bezw. das pure Eisen wird dann am Boden der
Reaktionskammer gesammelt.

Ein anderes Beispiel der Verwendung eines solchen
Lichtbogen-Erhitzersystems besteht in der Herstellung von Magnetitkugeln, indem als Beschickungsmaterial 23 Magnetitkörner (Fe^(K) mit einem durch die Spalte 29
zugeführten Edelgas erhitzt wird. In diesem Fall
schmilzt der Lichtbogenerhitzer die Magnetitteilchen, so daß in der Lichtbogenkammer 13 kugelförmige Tröpfchen entstehen, die durch die Reaktionskammer 11 nach unten fallen und dabei erstarren. Die erstarrten Magnetitkugeln können am Boden des Reaktor gesammelt und entnommen werden.

In Pig. 3 ist eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind. Die Ausführungsform unterscheidet sich von der gemäß Fig. 2 dadurch, daß mehrere Licntbogenerhitzer 61 im wesentlichen radial
um eine Lichtbogenkammer herum angeordnet sind. Diese Lichtbogenerhitzer 61 sind jedoch etwas nach oben geneigt, so daß sie etwa unter einem Winkel von 30

8 - zur

709808/0785

zur horizontalen Ebene verlaufen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Bereicn bezw. Gasstrom 57 > in dem sich die Lichtbogen vereinigen, nach unten weiter in die Reaktionskammer 11 gerichtet ist, wodurch das Beschickungsmaterial für eine längere Zeitdauer in dem durch die Vereinigung entstehenden Lichtbogenbereich verbleibt.

hin Vorteil des mehrphasigen Lichtbogenerhitzers besteht darin, daß der Lichtbogen im wesentlichen nur an den äußeren Elektroden, d. h. im Jreiphasen-Lichtbogenerhitzer an jeweils nur drei Elektroden anliegt und dadurch der Abbrand verringert wird, was eine größere Betriebsdauer zwischen Wartungszeitpunkten mit sicn bringt, an welcnen jeweils abgebrannte Elektroden ausgetauscht werden müssen. Damit sind wesentlich geringere Kosten verbunden, wodurcn ein derartiger Lichtbogenerhitzer wirtscaaftlicher wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der wesentlich größeren und besseren Wärmeübertragung zu dem zu behandelnden Material, indem dieses Material durch den Bereich hindurchgeführt wird, in welchem sich die Lichtbogen des Mehrphasensystems vereinigen.

9 Patentansprüche

709808/0785

Claims

WS75P-1493

Patentansprüche

Lichtbogen-Ernitzersystem zur Erzeugung senr hoher Wärmeenergien, dadurch ge Kennzeich net, daß eine Vielzahl von Lichtbogenerhitzern (9)> die an einem Gehäuse (7) am Umfang verteilt in radialer Richtung angeordnet sind und jeweils eine äußere Elektrode (25) und eine innere Elektrode (27) umfassen, wobei zwischen der inneren und der äußeren Elektrode ein umlaufender Spalt (29) vorgesehen ist, daß ferner die Lichtbogenernitzer an ein Mehrphasen-Systein in Sternscnaltung angeschlossen sind, wobei der Sternpunkt mit dem Gehäuse und Masse verbunden ist und die Phasenleitungen an den äußeren Elektroden liegen, sodaß sich die Lichtbogen (31) von den äußeren Elektroden (3b) zu der Lichtbogenkammer (13) erstrecken und dort in einander übergehen.

2. Lichtbogen-Erhitzersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet , daß ein Dreiphasen-System Verwendung findet.

3. Lichtbogen-Erhitzersystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet , daß ein Dreiphasen-Lichtbogen durch die Vereinigung der drei von den individuellen Lichtbogenerhitzern

ausgehenden

709808/0785

ausgehenden Lichtbogen entsteht.

k. Lichtbogen-Erhitzersystem nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) an dem Sternpunkt der i)reiphasenschaltung liegt.

5. Lichtbogen-Erhitzersystem nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Achse eines jeden der Lichtbogenerhitzer unter einem Winkel zur horizontalen Ebene durch das Gehäuse verläuft.

6. Lichtbogen-Erhitzersystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet , daß die Achse des Gehäuses vertikal verläuft.

7098 0 0/0785