DE4102189C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Eingabe reagierender Substanzen in einen Schmelzofen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einleitung reagierender Substanzen, d. h. pulverigen Festmaterials und Reaktionsgas, in einen Schmelzofen, insbesondere in den oberen Teil des Reaktionsraums (1) des Schmelzofens. Das Reaktionsgas wird in den Reaktionsraum (1) durch wenigstens eine Zuführöffnung (9) eingeleitet, so daß das Festmaterial, das durch diese Zuführöffnung (9) zugeführt wird, aus einem Bereich zwischen den zwei Teilströmungen (5, 6) der geteilten Reaktionsgas-Zuführströmung in den Reaktionsraum (1) eingeleitet wird. Etwa 50-90% des eingeleiteten Reaktionsgases wird von außerhalb des Festmaterial-Zuführstroms zugeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Eingabe reagierender Sub­ stanzen, insbesondere pulverige Feststoffe und Reaktionsgas, in einen Schmelzofen, so daß das Temperaturprofil der Reak­ tionszone im Schmelzofen im Hinblick auf die Strukturmate­ rialen der Reaktionszone sowie des Schmelzergebnisses vor­ teilhaft verändert wird.

Während reagierende Substanzen in einen Suspensions­ schmelzofen eingegeben werden, wird die Suspension vorteil­ hafterweise in einem geeigneten Reaktionsraum erzeugt. In diesem Fall werden die pulverigen Feststoffe und das Reak­ tionsgas in dem Reaktionsraum gemischt. Auf diese Weise wird der Stoffübergang zwischen den reagierenden festen Partikeln und dem umgebenden Gas im Reaktionsraum selbst so intensiv wie möglich gemacht, weil die Geschwindigkeits­ differenz zwischen dem Reaktionsgas und den pulverigen Fest­ stoffen gleichfalls so groß möglich gemacht wird.

Das Bilden der Suspension in dem Reaktionsraum selbst ist aus dem finnischen Patent 57786 bekannt, gemäß dem eine pulverige Substanz mittels Teilströmen, die auf eine geneigte Fläche fallen, in einen nach unten gerich­ teten, ringförmigen Festmaterial-Strom gewendet werden. Das Reak­ tionsgas wird in einer speziellen Turbulenzkammer in eine Hochgeschwindigkeits-Drehbewegung versetzt. Über ein dros­ selndes Stabilisierungsbauteil, das am Ende der Turbulenz­ kammer angeordnet ist, wird dem Gas der Austritt parallel zu seiner Rotationsachse, in den ringförmigen Strom der pulverigen Substanz ermöglicht, und zwar im wesentlichen parallel zur Achse dieses Stroms. Aus dieser Öffnung, die sich direkt in den Reaktionsraum öffnet, tritt der turbulen­ te Hochgeschwindigkeits-Strahl in Form eines Konus aus, dessen Öffnungswinkel innerhalb des Bereichs von 15°-180° eingestellt werden kann, und trifft mit einer hinreichenden Geschwindigkeitsdifferenz richtig auf den pulverigen Strom in dem Reaktionsraum.

Das FI-Patent 63259 beschreibt gleichfalls ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Suspensions­ strahls einer pulverigen Substanz und eines Reaktionsgases in einem Reaktionsraum. Gemäß dem FI-Patent wird der gleich­ förmige Reaktionsgasstrom in wenigstens drei Teilströme aufgeteilt, deren Richtung um 30°-90° abgelenkt wird, um im wesentlichen parallel mit der Zentralachse des Reak­ tionsraums zu liegen. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit der Teilströmungen erhöht. Die erhaltenen Reaktionsgas-Teil­ strömungen strömen so aus, daß sie mit minimalem Druckver­ lust als ringförmiger Strom den Fluß der pulverigen Substan­ zen umgeben, die innerhalb der Strömung eingespeist werden. Dieser Fluß pulveriger Substanzen strömt so aus, daß er sich wirkungsvoll mit dem Reaktionsgas-Strahl mischt, der als ganzes nicht gedreht wird, um einen turbulenten aber kontrollierten Suspensionsstrahl zu erzeugen, der für die Reaktion notwendig ist.

In der finnischen Patentanmeldung 882463 wird ein Konzentratbrenner beschrieben, in dem eine röhrenförmige Konzentratrutsche vertikal entlang der Zentralachse des Brennergehäuses aufge­ hängt ist. Der Bodenteil des Brennergehäuses ist hornförmig, wohingegen das Bodenende der Rutsche so angeordnet ist, daß es leicht über den hornähnlichen Bodenteil des Brenner­ gehäuses hinausragt. Zudem ist der Konzentratbrenner entlang der Zentralachse der Konzentratrutsche mit einem zusätzli­ chen Brennstoffbrenner versehen, so daß die Reaktionsluft, die durch einen Luftkanal zugeführt wird, durch den hornför­ migen Teil gegen das Festmaterial geblasen wird, das in der Konzentratrutsche nach unten fällt. Um eine ausreichende Geschwindigkeit der Reaktionsluft beizubehalten, ist weiter­ hin in dem Konzentratbrenner eine konische Strömungsleit­ einrichtung in den hornförmigen Teil installiert, wobei die Strömungsleiteinrichtung am Ende des zusätzlichen Bren­ ners befestigt ist.

Weiterhin führt die FI-Patentanmeldung 882463 eine Verbesserung des oben beschriebenen Konzentratbrenners ein. In diesem neuen Konzentratbrenner werden sowohl der zusätz­ liche Brennstoff als auch das Reaktionsgas bezüglich zur Konzentratzuführung mittig direkt in den Reaktionsraum ein­ gespeist. Um dem Konzentrat eine bestimmte Richtung zu geben und um Verstopfung des Reaktionsgasrohrs zu vermeiden, ist an der äußeren Kante des Reaktionsgasrohrs eine konische Strömungsleiteinrichtung installiert, durch welche das Kon­ zentrat von der Mündung des Reaktionsgasrohrs weg zum Umfang des Reaktionsraums gerichtet wird.

Aus dem US-Patent 4 210 315 ist eine Vorrichtung bekannt, in der eine Suspension aus einem pulverigen Fest­ stoff und einem Reaktionsgas gebildet wird, indem der Fest­ stoff bezüglich zur Reaktionsgaszuleitung mittig in den Reaktionsraum eingeleitet wird. Koaxial innerhalb des Fest­ stoff-Zuführrohrs ist gleichfalls ein Gas-Zuführrohr instal­ liert, welches am unteren Ende des Feststoff-Zuführrohrs konisch ausgebildet ist, so daß das Gas durch Ausströmlöcher im Boden des Konus ausströmt. Das durch die Ausströmlöcher eintretende Gas bewirkt, daß der Feststoff, der entlang der konischen Fläche fällt, in Richtung zur Reaktionsgas- Zone zum Umfang des Reaktionsraums geleitet wird.

Indem die Suspension aus Feststoff und Reaktionsgas entsprechend den Methoden nach dem Stand der Technik gebil­ det wird, besteht das Problem auch darin, daß in der Mitte des Reaktionsraums, wo die Reaktionsgasmenge nicht ausrei­ chend ist, eine beträchtliche Menge Feststoff übrig bleibt. Dies führt zu Überreaktionen in den Randbereichen des Reak­ tionsraums, wohingegen der Feststoff in der Mitte der Reak­ tionskammer unvollständig reagiert. Als Ergebnis sammeln sich die nicht-reagierten Feststoffe im Bodenteil des Reaktions­ raums, sofern nicht die Temperatur erhöht wird. Eine Erhö­ hung der Temperatur bedeutet jedoch eine Belastung sowohl für die Auskleidung des Reaktionsraums als auch für die Heizelemente.

Die US-PS 4,392,885 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung, in denen ein Dispergiergas unterhalb des in den Reaktionsraum eintretenden Feststoffstroms eingeleitet wird. Um eine bessere Durchmischung der Feststoffpartikel mit dem Reaktionsgas zu er­ reichen, wird das pulverförmige Material in den Reaktionsraum mit Hilfe eines Dispergiergases eingeführt. Zwar wird der Fest­ stoffstrom durch das Dispergiergas aufgefächert, was zu einer Verminderung der Rate an schlecht reagierten "durchgefallenen" Feststoffpartikeln führt, trotzdem ist auch hier die Verbren­ nung der Partikel in der Mitte des Reaktionsraumes oft unvoll­ ständig.

Die DE 38 32 843 C1 als nächstkommender Stand der Technik zeigt eine Vorrichtung zur Zuführung eines Beschickungs-Sauerstoff- Gemisches in einen Verhüttungsofen. Dabei wird das Feststoffma­ terial zwischen zwei Teilströmen des Reaktionsgases in den Re­ aktionsraum eingeleitet. Um die Verbrennung zu verbessern, wird die Dauer des Schwebzustandes der Teilchen verlängert, indem das die Beschickung umfassende Reaktionsgas von außen auf die Beschickung gerichtet wird. Die Teilchen der Beschickung werden von den Sauerstoffstrahlen erfaßt und in eine Wirbelbewegung versetzt. Durch diese Wirbelbewegung wird die Verweildauer der Feststoffteilchen in dem Reaktionsraum verlängert. Dies ge­ schieht allerdings in einer eher unkontrollierten Art und Wei­ se.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ seitigung einiger der Nachteile des Stands der Technik und die Schaffung eines verbesserten und betrieblich sichereren Verfahrens und einer Vorrichtung zur Einspeisung pulveriger Fest­ stoffe und eines Reaktionsgases in einen Reaktionsraum, so daß das Temperaturprofil des Reaktionsraums sowohl für die Dauerhaftigkeit des Reaktionsraums als auch für das Schmelzergebnis vorteilhaft gemacht werden kann. Die wesent­ lichen neuen Merkmale gehen aus den beigefügten Patentan­ sprüchen hervor.

Um eine Suspension herzustellen, werden gemäß der Erfindung der pulverige Feststoff und das Reak­ tionsgas durch Einsatz wenigstens einer Zuführöffnung, die vorteilhafterweise in dem oberen Teil des Reaktionsraums gebildet ist, zugeführt. Mittels der Bauteile, die mit der Zuführöffnung verbunden sind, wird das zugeführte Reak­ tionsgas in zwei Teilströme aufgeteilt, so daß, die Zuführung des Feststoffs in den Bereich zwischen diesen beiden Teil­ strömen stattfindet. Demnach wird ein Teil des Reaktionsga­ ses innerhalb der Feststoff-Zuführung, und ein anderer Teil außerhalb der Feststoff-Zuführung in die Mitte des Reak­ tionsraums eingespeist. Sowohl das Feststoff-Zuführungsbau­ teil als auch das Reaktionsgas-Zuführungsbauteil, das inner­ halb des Feststoff-Zuführungsbauteils angeordnet ist, sind mit zusätzlichen Bauteilen versehen, um die reagierenden Substanzen vorteilhafter in den Reaktionsraum zu leiten. Somit fällt das Reaktionsgas, das von innerhalb der Feststoff-Zuführung eintritt, vorteilhafterweise direkt in einen Bereich, wo normalerweise eine hohe Suspensions­ dichte herrscht und wo das Reaktionsgas mager eintritt.

Daher kann die Reaktionsrate des Feststoffs in der Mitte des Reaktionsraums ohne Temperaturerhöhung des Reaktions­ raums wesentlich gesteigert werden. Indem nur ein Teil des Reaktionsgases in Bezug zum Feststoff-Zuführungspunkt, von außerhalb zugeführt wird, wird eine mögliche Überreaktion in den Randbereichen des Reaktionsraums verhindert und die Dichte der Suspension aus dem Feststoff und dem Reaktions­ gas ist im wesentlichen homogen gemacht. Durch Aufteilung der Reaktionsgaszuführung in zwei Ströme gemäß der Erfin­ dung, wird das Temperaturprofil der Reaktionskammer vorteil­ hafter gemacht als gemäß dem Stand der Technik, weil das Verbrennen des Feststoffs auch im inneren Teil der Sus­ pension einsetzt. Gleichzeitig wird die Temperatur der Rand­ bereiche der Reaktionskammer abgesenkt, weil der Sauerstoff­ inhalt des Reaktionsgases während der verminderten Reak­ tionsgaseinspeisung in die Randbereiche vermindert ist. Die Verbrennung des Feststoffs, die im inneren Teil der Suspension stattfindet, erzeugt weiterhin in der Mitte des Reaktionsraums eine heiße Zone, welche die Ansammlung von Material am Einspeispunkt verhindert.

Mittels der Erfindung wird die Mischung des Fest­ stoffs mit dem Reaktionsgas verbessert, weil das Reaktions­ gas in die Mitte der Suspension gebracht wird. Darüber hin­ aus führt die heiße Zone in der Mitte des Reaktionsraums zu einer kräftigen Expansion des Reaktionsgases, wodurch die Feststoffe aus der Mitte des Reaktionsraums zur Peri­ pherie gedrückt werden.

Auf Grund des Einflusses des Reaktionsgases, das gemäß der Erfindung in die Mittensektion des Reaktionsraums eingeleitet wird, findet die Reaktion des Feststoffs inner­ halb der Suspension weiter oben statt. Weiterhin kann die Reaktionshitze, die innerhalb der Suspension erzeugt wird, effektiv zum Schmelzen der Feststoffe genutzt werden, wo­ durch die Reaktionstemperatur nicht durch Wärmeverluste verbraucht wird. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad des in den inneren Teil der Suspension geleiteten Reaktionsgases sehr hoch, weil die Reaktionsgase die Abgase aus dem Reak­ tionsraum nur durch die Feststoffe erreichen.

Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter in Bezug auf die beigefügte Zeichnung erklärt, welche eine Darstel­ lung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem seitlichen Teilquerschnitt ist.

Gemäß der Zeichnung ist in dem oberen Teil des Reak­ tionsraums eines Suspensionsschmelzofens, d. h. im oberen Teil des Reaktionsschachts 1 eine Zuführöffnung 9 für die reagierenden Substanzen angeordnet, so daß sowohl das fein zerteilte Konzentrat, das als Feststoff dient, als auch das Sauerstoff enthaltende Gas, das als Reaktionsgas dient, durch das Dach 2 des Reaktionsraums frei in die Reaktions­ kammer 1 fließen können. Mittels Bauteilen, die an der Zuführöffnung 9 angeordnet sind, wird der Feststoff durch den Kanal 3 in den Reaktionsraum 1 geleitet. Während der Feststoff durch den Kanal 3 fällt, kommt er in Kontakt mit der konischen Fläche 4, die in der Mitte des Kanals 3 ange­ ordnet ist, so daß die festen Materialien ihre Richtung zu dem Umfang des Reaktionsraums ändern.

Das Reaktionsgas wird in den Reaktionsraum 1 gelei­ tet, so daß wenigstens die Hälfte des Reaktionsgases, vor­ teilhafter Weise 50-90%, durch den Kanal 5 in den Reak­ tionsraum des Suspensionsschmelzofens geleitet wird. Der Kanal 5 ist in der Zuführöffnung 9 installiert, so daß das Reaktionsgas von der Außenseite des Feststoff-Kanals 3 in den Reaktionsraum 1 geleitet wird. Somit wird das mittels der konischen Fläche 4 gleitete feste Material mit dem Reaktionsgas in Kontakt gebracht. Der Rest des Reaktionsgases, mindestens 10%, vorteilhafter Weise 10-50% wird durch den Reaktions­ gas-Kanal 6, der innerhalb des Feststoff-Kanals 3 angeordnet ist, in den Reaktionsraum 1 geleitet. Am unteren Ende 7 des Reaktionsgas-Kanals 6 ist im Inneren eine mittig instal­ lierte konische Fläche 8 angeordnet. Sowohl der Reaktions­ gas-Kanal 6 als auch die konische Fläche 8 erstrecken sich über das untere Ende des Feststoff-Kanals 3 hinaus zu einem niedrigeren Pegel. Somit wird das Reaktionsgas, das durch den Reaktionsgas-Kanal 6 geleitet wird, in Richtung der fallenden Feststoff-Partikel eingeleitet, so daß die noch unreagierten und/oder teilweise reagierten Feststoff-Parti­ kel in den Einflußbereich der neuen Reaktionsgas-Front gezo­ gen werden.

Indem die Reaktionsgaszuführung gemäß der Erfindung in zwei Teile aufgeteilt wird, indem zwei Reaktionsgas- Kanäle 5 und 6 verwendet werden, wird das zwischen diesen zwei Kanälen 5 und 6 eingespeiste feste Material in Kontakt mit den Reaktionsgas-Fronten gebracht, die sowohl vom Umfang als auch von der Mitte des Reaktionsraums eintreten. Daher wird das Temperaturprofil des Reaktionsraums 1 vorteilhaft gemacht, da die in der Reaktion freigesetzte Wärme zu einer schnellen Erhitzung des Reaktionsgases führt, welches in die Mittelsektion des Reaktionsraums eingeleitet wird, und dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit der festen Partikel verbessert. Folglich kann die Wärme, die in der Reaktion freigesetzt wird, bereits im oberen Teil des Reaktionsraums genutzt werden, ohne daß die Temperatur extern erhöht wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Optimierung der Reaktionen in einem Schmelz­ ofen, bei dem Reaktionssubstanzen, insbesondere pulvrige Fest­ stoffe und Reaktionsgas, in den Schmelzofen, vorteilhafterweise in den oberen Teil des Reaktionsraumes des Schmelzofens, einge­ leitet werden, wobei das Reaktionsgas durch wenigstens eine Zu­ führöffnung (9) eingeleitet wird, und wonach die durch diese Zuführöffnung eingeleiteten Reaktionssubstanzen in den Reakti­ onsraum (1) aus einem Bereich zwischen zwei Teilströmen des aufgeteilten Reaktionsgases eingeleitet werden, wobei der erste Teilstrom von außerhalb und der zweite Teilstrom von innerhalb der Feststoffpartikelströmung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsfeststoffe in den er­ sten Teilstrom gelenkt werden, der den Reaktionsfeststoffstrom umschließt, und darauffolgend der zweite Teilstrom durch einen sich weiter als die Zufuhröffnung in den Reaktionsraum hinein erstreckenden Reaktionsgaskanal (6) in Richtung der fallenden Feststoffpartikel eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Hälfte des Reaktionsgases von außerhalb der Festmaterial- Zuführströmung eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 50-90% des eingeleiteten Reaktionsgases von außerhalb der Festmaterial- Zuführströmung eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 10% des eingeleiteten Reaktionsgases von innerhalb der Fest­ material-Zuführströmung eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Reaktionsgas Sauerstoff-enthaltendes Gas ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Festmaterial ein pulveriges Konzentrat ist.

7. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche vorteilhafterweise im oberen Teil des Reaktionsraumes des Schmelzofens Bauteile zur Einleitung des Reaktionsgases und des festen Materials in den Schmelzofen aufweist, welche Bau­ teile wenigstens eine Zuführöffnung (9) umfassen, die Vorrich­ tung mit einem Feststoff-Zuführkanal (3) und Kanälen (5, 6), zur Einleitung von Teilströmen des Reaktionsgases sowohl in der Mitte als auch von außerhalb der Feststoff-Zuführung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff-Zuführkanal (3) mit Strömungsleitflächen (4) versehen ist, um das zugeführte Mate­ rial in den Reaktionsraum in Richtung des äußeren Reaktions­ gasstromes zu leiten, und daß sich der Reaktionsgaskanal (6) zur Zuführung des Reaktionsgases von innerhalb der Feststoffzu­ führung weiter als die Zufuhröffnung (9) in den Reaktionsraum hinein erstreckt und Strömungsleitflächen (8) aufweist, um das Reaktionsgas in Richtung der fallenden Feststoffpartikel einzu­ leiten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Mittel­ teil des Festmaterial-Zuführungskanals (3), der an der Zu­ führöffnung (9) vorgesehen ist, ein Reaktionsgas-Zuführkanal (6) installiert ist, der sich bezüglich des Festmaterial- Zuführkanals (3) auf ein tieferes Niveau erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Reaktionsgas-Zuführkanal (6) mit einer konischen Fläche (8) versehen ist, um das in die­ sem Zuführkanal geführte Reaktionsgas vorteilhaft in Richtung des bereits gebildeten Reaktionsgemisches zu leiten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem unteren Ende (7) des Reaktionsgas-Zuführkanals (6) eine konische Fläche (8)zentrisch bezüglich des Zuführkanals angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Fläche (8) des Reaktionsgas-Zuführkanals (6) sich bezüglich des Reaktionsgas-Zuführkanals (6) auf ein tieferes Niveau erstreckt.