DE2950774A1

DE2950774A1 - Methode und apparat zur bildung eines aus pulverfoermiger substanz und reaktionsgas bestehenden turbulenten dispersionsstrahls

Info

Publication number: DE2950774A1
Application number: DE19792950774
Authority: DE
Inventors: Kalevi Johan Kunttu; Launo Leo Lilja; Valto Johannes Maekitalo
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US4331087A; GB2040421B; FI57786B; CA1131888A; DE2950774C2; FI57786C; GB2040421A

Description

DIPL.-ING. HANS W. GROENING PATENTANWALT

0 3-56

OUTOKUMPU OY
Outokumpu, Finnland

Methode und Apparat zur Bildung eines aus pulverförmiger Substanz und Reaktionsgas bestehenden turbulenten Dispersionsstrahls

Diese Erfindung betrifft eine Methode und einen Apparat zur Bildung eines turbulenten Dispersionsstrahls aus pulvriger Substanz und Reaktionsgas in der Weise, dass man das Reaktionsgas in einer Wirbelkammer in kräftige Drehbewegung versetzt, es aus dieser Kammer dann in den -Reaktionsraum strömen lässt und in den so gebildeten turbulenten Gasstrahl die pulvrige Substanz in Form eines kreisringförmigen Stromes einträgt um so die Wände des Reaktionsraumes vor der unmittelbaren Einwirkung des Reaktionsgases zu bewahren.

Zum Eintragen von Dispersion aus Reaktionsgas und pulvriger Substanz in den Reaktionsraum stehen zwei verschiedene Prinzipien zur Wahl:

8IEBERTSTR. 4 · 8000 MÜNCHEN 88 · POB 8<D.8U)i.IUKEl: KRfUr]UgENT · TEL. (08B) 47107» · TELEX S-tMDI

Man bildet die Dispersion exicweder vor der eigentlichen Einblasvorrichtung oder in dieser. Die erstgenannte Methode kommt in den herkömmlichen Kohlenstaubbrennern von Kohlenstaub-Feuerungseinrichtungen oder in metallurgischen Anlagen, bei denen pneumatisch transportiertes feinkörniges Erz beziehungsweise Konzentrat einschliesslich des Trägergases direkt in den Reaktionsbehälter geblasen wird, zur Anwendung. Beim Arbeiten nach dieser Methode ist die Einblasgeschwindigkeit so einzustellen, dass kein Rückschlagen von Reaktionen erfolgen kann. Beim Arbeiten mit hohen Vorwärmtemperaturen oder in anderen Fällen, in denen die zu bildende Dispersion einen hohen Reaktivitätsgrad hat, wie zum Beispiel beim Sauerstoff schmelzen metallurgischen Sulfidkonzentrats, hat die Bildung der Dispersion möglichst nahe beim Realrtiönsfäum oder am besten, wie nach der vorliegenden Erfindung, im Reaktionsraum selbst zu erfolgen.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Dispersionsbildungs-Methode geschaffen werden, bei der die erste gegenseitige Berührung der Reaktionspartner erst im Reaktionsraum selbst erfolgt, so dass sie sich auch zur Herstellung von Dispersionen aus hochreaktiven Stoffen eignet.

Die wesentlichen Merkmale dieser erfindungsgemässen Methode gehen aus dem beigefügten Patentanspruch 1 hervor, und die Merkmale des zur Anwendung dieser Methode dienenden Apparates sind im Patentanspruch 3 niedergelegt.

über das Eintragen von Dispersion in den Reaktionsraum liegen in der Literatur zahlreiche Abhandlungen vor. Der überwiegende Teil von ihnen behandelt entv/eder das direkte Einblasen pneumatisch transportierten feinkörnigen Peststoffes oder Anlagen, bei denen der Dispersionsstrahl ejektorartig mit Hilfe im Reaktionsgas verursachter Druckstösse gebildet und in den Reaktionsraum geblasen wird. Der so gebildete Strahl hat Kegelform mit einem Öffnungswinkel in der Grössenordnung von 15° bis 20°; seine Feststoffkonzentration ist in der Mitte

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am grössten. Die Form der Verteilung wird in erster Linie von den Eigenschaften des Feststoffes und von der Strömungsgeschwindigkeit der Dispersion bestimmt. Peststoff und Gas haben hierbei im wesentlichen die gleiche Richtung.

Wie bekannt, hängt der Stoffübergang zwischen dem reagierenden Feststoffteilchen und dem dieses umgebenden Gas wesentlich von deren gegenseitigen Geschwindigkeitsdifferenz ab.

Es ist bekannt und rechnerisch leicht nachzuweisen, dass bei den in metallurgischen Apparaten üblichen Gasgeschv/indigkeitsbereichen und Konzentrat-Korngrössen der zwischen Konzentratteilchen und Gas eventuell vorhandene Geschwindigkeitsunterschied sich rasch abzuflachen bestrebt ist. Aus diesem Grunde ist wichtig, dass das im Hinblick auf den Stoffübergang notwendige Geschwindigkeitsgefälle zwischen dem Peststoffteilchen und dem Reaktionsgas in der Zone des Reaktionsraumes, in der ansonsten die Voraussetzungen für die Umsetzungen gegeben sind, herbeigeführt beziehungsweise aufrechterhalten wird. In den Fällen, in denen die reagierenden Stoffe bereits vor dem Einblasen miteinander vermischt werden, ist die Geschwindigkeitsunterschiede bewirkende Bewegungsenergie im allgemeinen an der Einblasstelle oder vor dieser am grössten. Erfolgt das Vermischen hingegen im ReaktLonamnm selbst, ist die Möglichkeit gegeben, die maximale Geschwindigkeitsdifferenz auf eine gewünschte Stelle im Reaktionsraum zu legen.

Bei metallurgischen Prozessen, zum Beispiel in Schweberöstschmelzöfen, ist der Peststoffanteil, bezogen auf die gesamte Dispersionsmasse, beträchtlich; besonders dann, wenn mit hohen Sauerstoffanreichemngsgraden gearbeitet wird. Bedingt durch die Dicke des Reaktionsraum-Deckenfutters, die Plazierung der Eintragsvorrichtungen u.dgl. Paktoren hat der Peststoff zur Dispersionsbildungsstelle hin einen Weg

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zurück zulegen, und seine vertikale Bewegangsmenge ist somit beträchtlich. Bei den herkömmlichen Dispersionsbildungsmethoden ist der Pest-* stoff bestrebt, mit dieser seiner Bewegungsmenge und seiner Massenträg heit die horizontale Geschwindigkeitskomponente des dispersionsbildenden Gases zu dämpfen und somit den Strahl zu verschmälern.

Nach der vorliegenden Erfindung wird die Fallenergie des Feststoffes zur Bildung eines möglichst gleichmässigen kreisringförmigen Pulverstromes und zum Transport desselben an eine im Hinblick auf die Dispersionsbildung, die Umsetzungen und den Schutz der Reaktionsraumwände günstige Stelle ausgenutzt.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Methode und einen Apparat zur Bildung eines turbulenten Dispersionsstromes im Reaktionsraum selbst durch Ausnutzung einer Vorteilung des Pulverstromes und des Richtens der in den Teilströmen enthaltenen kinetischen Energie zur Bildung eines kreisringförmigen Pulverstromes mit Hilfe einer geeigneten Fläche sowie des in einer Wirbelkammer in kräftige Drehbewegung versetzten und eingeengten, über ein besonderes Ausgleichsteil ausströmenden Reaktionsgasströmes zu dem Zweck, an einer im Hinblick auf die Umsetzungen günstigen Stelle des Reaktionsraumes einen möglichst gross en Geschwindigkeitsunterschied zwischen den Pulverteilchen und dem Reaktionsgas zu bewirken, eine wirksame Ausnutzung des Reaktionsraumes zu erzielen und zu verhindern, dass noch nicht an der Reaktion teilgenommenes Gas direkt mit den Wänden des Reaktionsraumes in Berührung kommt.

Die Bewegungsenergie des stromförmig niederfallenden pulvrigen Stoffes kann auch im Zusammenhang mit der Aufteilung dös Stromes in Teilströme ausgenutzt werden, und zwar entweder in der bekannten Weise, dass man diesen Strom durch passende Wände direkt in getrennte Kanäle lenkt, oder noch günstiger im Dis-nersionsbildungsapparat selbst in der Weise,

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dass man das pulvrige Material in Form einer dünnen Schicht längs der Innenwand eines diese ausgleichenden zylindrischen Raumes gleiten lässt und davon mit Hilfe geeigneter Hindernisse, vorzugsweise mit Hilfe in zur Gleitrichtung im wesentlichen quer verlaufender dreieckförmiger Leisten, an bestimmten Stellen Teilströme gewünschten Umfangs abtrennt.

Nach der Erfindung erfolgt die Bildung des Dispersionsstrahls im Reaktionsraum selbst mit Hilfe in dessen Deckel eingebauter Vorrichtungen zum Beispiel wie folgt:

Nach bekannten Verfahren wird aus dem pulvrigen Material ein Strom gebildet und dann in Teilströme unterteilt beziehungsweise es werden von vornherein mehrere Teilströme gebildet. Die von oben nach unten gerichteten Teilströme werden auf eine schräge Fläche geleitet, vorzugsweise auf eine Kegelfläche, die aus den Teilströmen einen gleichmässigen, kreisringförmigen, nach unten zu einer passenden Stelle des Reaktionsraumes hin gerichteten Pulverstrom bildet. Das Reaktionsgas wird in einer besonderen Wirbelkammer in kräftige Wirbelbewegung versetzt und dann in Drehachsenrichtung über eine stirnwandseitige drosselnde, vorzugsweise runde Öffnung in der Wirbelkammer in ein Ausgleichsorgan, das vorzugsweise von einem rohrförmigen Kanal gebildet wird, dessen Durchmesser zum Durchmesser der Wirbelkammer vorzugsweise in einem Verhältnis von 0,2 bis 0,8 steht, geleitet, und von dort weiter über eine runde Ausströmöffnung im wesentlichen in Achsenrichtung des ringförmigen Pulverstromes ins Innere desselben. Aus dieser direkt in den Reaktionsraum gerichteten Öffnung tritt der stark turbulente Wirbelstrom in Form eines Kegels aus, dessen öffnungswinkel durch Regulierung der 'virhelkainmerverhältnisse im Bereich zwischen 15° und 180° eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann also der Treffpunkt des ringförmigen Pulverstromes mit dem Reaktionsgas durch Regulieren des Verlaufs des ringförmigen

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Pulverstromes und/oder des Öffnungswinkela des Reaktionsgas-Wirbelstromes eingestellt werden.

Da das Reaktionsgas ins Innere des kreisringförmigen Pulverstromes geleitet wird, kann es nicht mit den Reaktionsraumwänden in Berührung kommen ohne zuvor in Kontakt zum pulverförmigen Stoff zu treten.

In der Praxis werden die Forderungen bezüglich der Ausbreitung durch die Grosse des Reaktionsraumes, die Forderungen bezüglich des Turbulenzgrades durch die Prozessbedingungen (Beschaffenheit des Konzentrats u.dgl.) bestimmt.

Nachstehend eine nähere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen der Anwendungsbereiche unserer Erfindung, einen Schweberöstschmelzofen, Fig. 2A in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vertikalschnitt,

Fig 2B in schematischer Darstellung eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vertikalschnitt, und Fig. 3 eine genauere Darstellung der in Fig. 2B vorgestellten Vorrichtung und die in ihr erfolgenden Dispersionsbildung zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Fördereinrichtung, mit der der pulverförmige Stoff so zum oberen Ende des Fallrohrs 2 transportiert wird, dass er in kontinuierlichem Strom durch dieses Rohr 2 in den Verteiler 3 und von dort weiter in die Dispersionsbildungszone fällt. Das Reaktionsgas 4 wird innenseitig im pulverförmigen

Stoff in den Reaktionsraum 5 eingespeist.

In Fig. 2A wird das von der Fördereinrichtung 1 durch das Fallrohr Strömende pulvrige Material durch die Trennwände 3 in Teilströme zerlegt, die einen ringförmigen Strom ergeben, der in den Reaktionsraum

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5 geleitet wird. Das Reaktionsgas 4 wird in der Wirbelkammer 12 in tangentiale Wirbelbewegung versetzt.

In Fig. 2B wird das von der Fördereinrichtung 1 durch das Fallrohr strömende pulvrige Material tangential in den zylindrischen Raum 13 geleitet, und der an dessen Innenwand gebildete, dünner gewordene, schraubenlinienartig umlaufende Pulverstrom wird aussen an der Wirbelkammer 12 vorbei als kreisringförraiger Strom in den Reaktionsraum geführt. Der Reaktionsgasstrom 4 wird über den Turbulator 8 in die Wirbelkammer 12 geleitet.

In Fig. 3 wird der über das Fallrohr 2 zuflies sende Pulverstrom tangential in den zylindrischen Raum 13 geleitet, an dessen Innenwand er, dünner geworden, entlanggleitet und auf vorzugsweise quer angeordnete dreieckförmige, längliche Hindernisse 7 trifft, an denen eine Zerlegung in Teilströme erfolgt. Diese Teilströme treffen auf die innere Kegelfläche 14 und werden dort zu einem ausgeglichenen, kreisringförmigen Pulverstrom 9 geformt. Der Reaktionsgasstrom 4 wird über den Turbulator 8 in die Wirbelkammer 12 und weiter über die runde Öffnung 16 in deren Stirnwand in das Ausgleichsteil 17 geleitet und strömt dann als turbulenter Gasstrom IO im Inneren des kreisringförmigen Pulverstromes in den Reaktionsraum. Die Intensität der Wirbelbewegung lässt sich an der Stelle 15 durch Verstellen des Turbulators 8 regulieren, wobei dann auch eine Einstellung des Treffpunktes 11 zwischen Pulver und Reaktionsgasstrom möglich ist.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung den in Beispiel 2 gebildeten Konzentratstrom im Vertikalschnitt sowie den Konzentratgehalt dieses Stromes in der Horizontalebene unterhalb der Austrittsöffnung, ο ist der öffnungswinkel des Stromes, q der Konzentratgehalt.

Fig. 5 zeigt ebenfalls in schemattscher Darstellung den Konzentratstrahl im Vertikalschnitt bei intensivierter Turbulator-Zirkulationswirkung und erhöhter

Fig. 6 zeigt in schematisierter Form einen regulierbaren Turbulator 8 in teilweise aufgeschnittener Form in schiefwinkliger axonometrischer Darstellung. Die Axialkomponente des Teilstromes ist durch den Pfeil a, die Tangentialkomponente durch den Pfeil t dargestellt.

Beispiel 1

In einem halbtechnischen Schv/eberöstschmelzofen (0 1,35 m) wurde ein erfindungsgemässer Konzentratbrenner (Wirbelkammer-Durchmesser D, «= 186 mm, Höhe h,= 50 mm, Austrittsöffnungs-Durchmesser d« = 100 mm, -Höhe h₂ ^β 100 mm, Innendurchmesser der ringförmigen Öffnung des Konzentratkanals β 260 mm) unter den Verhältnissen A₀ =0,34 kg/s, ""Konzentrat " °'^^{6 kg}^^s (^{verwende-te:r} Bereich 0,25- 1,25 kg/s) eingesetzt, wobei im Reaktionsraum eine Temperatur von 1700 K herrschte. Die Drehbewegung des dem Brenner zuzuführenden Gases wurde durch einen regulierbaren Turbulator verursacht, dessen Wirkung dem von der Eintrittsöffnung in der Grosse der tangential zum Aussenumfang der zur Mittelachse senkrechten V/irbelkammer gerichteten Ausgleichsteil 17 (Fig. 3) bewirkten Drehmoment entsprach.

Die Stelle, an der Konzentrat und Sauerstoff aufeinander trafen, lag hierbei 100 mm unterhalb des Reaktionsschacht-Gewölbes.

Die Oxydationsergebnisse entsprachen den Anforderungen des Prozesses. Nach einer Fahrlauer von 500 h mit technischem Sauerstoff waren am Brenner weder Verbrennungs- noch sonstige Zerstörungserscheinungen festzustellen.

An den Wänden des Reaktionsraumes bildeten sich keine Anlagerungen.

Beispiel 2

Mit dem im Beispiel 1 beschriebenen Konzentrabrenner wurden als Kaltversuche Feststoff-Verteilungsmessungen im freien Raum durchgeführt. Als Feststoff diente Peinsand, Eintragsgeschwindi,<*keit 0,6 kg/s, als Gas diente luft (0,36 kg/tfX^BjrffcV/3XMiÄlaje dienten dem Zweck, den

Einfluss der Turbulenz auf die Fee^stoffvcrteilung bei der verwendeten Konstruktion zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden durch Fotografieren des entstandenen Dispersionsstrahls festgehalten. Die Messung der Feststoffverteilung erfolgte in Horizontalebene 2 m unterhalb der Austrittsöffnung. Die an den Fotos gemessenen Öffnungswinkel des Strahls und die Feststoff Verteilungen sind schematisch in Fig. 4 dargestellt; die Messergeunisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt, in der Γ die vom regulierbaren Turbulator verliehene Umlaufenergie im Verhältnis zum Fall von Beispiel 1 und r die von der Mittelachse des Strahls gemessene Entfernung bedeutet, in der die pro Zeiteinheit auf die Flächeneinheit bezogene Feststoff menge α ihren Maximalwert erreichte, γ ist der Einstellwert des Turbulators, bei dessen Vergrösserung das Verhältnis aus Tangential-Gasstromen und Axial-Gasströmen in der Wirbelkammer wächst. Der Strahl war gleichmässig, die Dispersion gut ausgebildet.

	Y	r/%	Tabelle	1	^q2 kg/m ·s
	10	63	α/ο	max m	0,65
a	15	83	43	0,34	0,40
b	17	91	51	0,51	0,32
C	20	100	58	0,56	0,25
d	Beis-oiel 3		60	0,65

Der Ausbreiteffekt des Konzentratbrenners nach Beispiel 2 wurde durch Erhöhung der Drehvdrkung des Turbulators 8 so erhöht, dass die Umlaufenergie auf das Vierfache stieg. Bei Sand- und Luftmengen gemäss Beispiel 2 und Turbulator-Einstellung gemäss Fall a (γ = 10) entsprachen Strahl und 1,7 m unterhalb der Austrittsöffnung gemessene Feststoffverteilung der Darstellung von Fig. 5. Der Strahl war gleichmässig, die Dispersion gut ausgebildet.

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-tier-

Auf Grund der Beispiele 2 und 3 wird konstatiert, dass die Ausbreitung des Dispersionsstrahls stark von den Dimensionierungsverhältnissen, aber auch von der Einstellung des Turbulators, die sich wiederum stark auf den Turbulenzgrad des Strahls auswirkt, abhängt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den obigen Beispielen erläuterten und in den Zeichnungen dargestellten Methoden und Vorrichtungen, sondern kann im Rahmen der folgenden Patentansprüche modifiziert werden.

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Claims

O 3-5*
Patentansprüche

(Iy Methode zur Bildung einer turbulenten Dispersion aus pulverförmigem Stoff und Reaktionsgas in der Weise, dass man den pulverförmigen Stoff als ringförmigen Strom nach unten in den Reaktionsraum (5) strömen lässt und Reaktionsgas (4) vom Inneren dieses ringförmigen PulverStroms (9) nach unten leitet, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Schützens der Wände des Reaktionsraumes (5) vor unmittelbarer Einwirkung des Reaktionsgases (4) und Erzielens des für die im Reaktionsraum erfolgenden Umsetzungen wichtigen, ausreichenden Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen Gas und pulvrigem Stoff (9) eine Dispersion gebildet wird in der Weise, dass man das Reaktionsgas in eine kräftige Umlaufbewegung versetzt und dann in eingeengter Form in den Reaktionsraum (5) strömen lässt, so dass es im Reaktionsraum auf den von avissen zugeführten, im wesentlichen senkrecht nach unten gerichteten ringfürinigen Strom (9) aus pulvrigem Stoff trifft, der vorzugsweise unter Ausnutzung der Bewegungsenergie des niederfallenden pulvrigen Stoffes auf einer sich verjüngenden kegelförmigen Gleitfläche (14) gebildet wird.
2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treffpunkt des ringförmigen Stromes (9) aus pulvrigem Stoff mit dem Reaktionsgas (4) im Reaktionsraum (5) durch Regulieren des Verlaufes des ringförmigen Stromes aus pulvrigem Stoff oder durch Änderung des Öffnungswinkels des Reaktionsgas-Wirbelstromes eingestellt werden kann.
3. Apparatur zur Anwendung der Methode nach Anspruch 1, die zentrisch nach unten in die Reaktionskammer (5) gerichtet ist und von einem Eintragsrohr (2) für den pulvrigen Stoff, dazugehörigen Aufteilungsorganen (13, 7) für den pulvrigen Stoff sowie einer Reaktionsgas-Wirbelkammer (12) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintragsrohr (2) für den pulvrigen Stoff an seinem unteren Teil kegelförmig (14) verjüngt und im Inneren des Eintragsrohre

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ORIGINAL INSPECTED

axial eine Wirbelkammer (12) engeordnet ist, in deren oberem Teil vorzugsweise ein Turbulator (8) angeordnet ist, während der untere Teil der Wirbelkammer von einem zylindrischen Ausgleichsorgan (17) gebildet wird, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Wirbelkammer ist.
4. Apparatur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellen des Turbulators (8) das Verhältnis aus tangentialen und axialen Strömen geändert v/erden kann.
5. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus Wirbelkammer-(12)-Durchmesser und Durchmesser des zylindrischen Ausgleichteils (17) zwischen 0,2 und 0,8 beträgt.

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