DE4131962A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von heissen gasen und/oder feststoffen in einem wirbelbett - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von heißen Gasen und/oder Feststoffen mit heißen Gasen in einem Wirbelbett, wobei der Wirbelbettreaktor stromabwärts gesehen im wesentlichen aus einer Mischkammer, einem Steigrohr und einem Zyklon mit Feststoffrückführungsrohr zur Mischkammer besteht.

Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft anwendbar, um Metallerze mit heißen Reduktionsgasen, insbesondere dem heißen Abgas aus einem Schmelzreduktionsgefäß, zu reduzieren. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft bei der Reinigung und schnellen Kühlung von Abgasen, die gefährliche und problematische, z. B. klebrige Stoffe enthalten.

Die Anwendung von Wirbelbettverfahren findet immer mehr Eingang in die großindustrielle Praxis. Es sind u. a. Prozesse zur Reinigung von heißen, kontaminierten Abgasen aus der metallurgischen und chemischen Industrie bekanntgeworden, die auf der Technologie der zirkulierenden Wirbelschicht basieren. Die unproblematische Wärmerückgewinnung wird bei dieser Verfahrensweise als zusätzlicher Vorteil angeführt.

So beschreibt das australische Patent 5 53 033 ein Verfahren im sogenannten Fluxflow-Reaktor zur Wiedergewinnung von Wärme aus einem mit Schmelztropfen beladenem Gas, das mit den Heizfläche eines Wärmeübertragers in Berührung gebracht wird und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gastemperatur vor dem Wärmeübertrager unterhalb der eutektischen Temperatur der Schmelztropfen gesenkt wird, indem zu dem mit Schmelztropfen beladenen Gas Feststoffpartikel zugemischt werden. Die angegebenen Daten für das beschriebene Verfahren sind die Gasgeschwindigkeit von 3 bis 20 m/sec, ein Partikelgehalt des Gases von 10 bis 500 g/mol, eine Gaseintrittstemperatur von 300 bis 1500°C, eine Gasaustrittstemperatur von 500 bis 1200°C und eine durchschnittliche Partikelgröße von 100 bis 2000 µm.

Ein weiterer breiter Anwendungsbereich der Wirbelbett-Technik befaßt sich mit der Kohlevergasung. Die deutsche Patentschrift 27 42 644 bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von kohlenstoffhaltigen Feststoffen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Feststoffe durchlaufen bei diesem Prozeß in einem schachtähnlichen Gefäß mindestens drei Zonen von oben nach unten. Dabei sind die Geschwindigkeiten des abwärtsgerichteten Gutstromes maximal 5 m/min, und die Fließgeschwindigkeit des Fluidisiergases, um den Feststoff in einem aufgewirbelten Zustand zu halten, beträgt maximal ca. 6 m/sec.

Die europäische Patentanmeldung 03 04 931 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergasung oder Verbrennung von festen, kohlenstoffhaltigen Materialien in einem zirkulierenden Wirbelbett, bei dem die Gasgeschwindigkeit im Wirbelbett-Reaktor auf einem hohen Niveau von 2 bis 10 m/sec gehalten wird und ein beträchtlicher Anteil der Feststoffe mit dem Gas aus dem Reaktionsgefäß ausgetragen und in einem nachgeschalteten Zyklon abgeschieden und dann dem Reaktorgefäß wieder zugeführt wird. Das vorgereinigte Gas wird anschließend in einer Gasreinigungsanlage von den feinen Feststoffen befreit, und der Prozeß ist dadurch gekennzeichnet, daß dieses Feinmaterial aus der Gasreinigungsanlage mit dem Umlaufmaterial aus dem Zyklon agglomeriert und schließlich auch dem Reaktorgefäß zugeführt wird. Bei einem zirkulierenden Wirbelbettreaktor der Bauart Fluxflow, der beispielsweise für die Wärmerückgewinnung aus einer heißen Gasströmung oder für die Behandlung von Feststoffpartikeln mit heißen Gasen eingesetzt wird, leitet man das heiße Gas als Fluidisierungsgas durch eine üblicherweise runde Öffnung am Boden in den Reaktor. Es ist kein Rost erforderlich, um das Wirbelbettmaterial in einem Fluxflow-Reaktor zu halten. Selbstverständlich weist dieses System auch einige Nachteile auf, insbesondere bei seiner großtechnischen Anwendung. Die in das Wirbelbett eingeleiteten Gase können nicht in jedem Fall schwere Feststoffpartikel daran hindern, aus dem Wirbelbett gegen die Strömungsrichtung durch die Einlaßöffnung am Boden des Reaktors zu fallen. Speziell die starke, abwärtsgerichtete Strömung der Feststoffpartikel an den Reaktoraußenwänden bewirkt, daß Partikel durch die Einlaßöffnung des Reaktors herausfließen. Weiterhin ist bekannt, daß Turbulenzen im Feststoff-Gas-Strömungssystem diese Verluste durch die Eingangsöffnung erhöhen. Diese Rückströmungen von Feststoffpartikeln in die Hauptprozeßanlage, die dem Wirbelbettreaktor vorgeschaltet ist, können zu Problemen führen und erschweren die Prozeßsteuerung. Weiterhin können die Partikel oder Zusammenbackungen von Partikeln, die durch die Einlaßöffnung fallen, Störungen, Turbulenzen und eine verringerte Gasgeschwindigkeit im Gasstrom selbst hervorrufen und dadurch Störungen beim Aufbau der Wirbelschicht in der Mischkammer bewirken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung so zu gestalten, daß beim Einleiten heißer Gase in eine Mischkammer mit einem Wirbelbett aus Feststoffpartikeln keine Feststoffpartikel der Mischkammer im Gegenstrom zu den eingeleiteten heißen Gasen durch die Einlaßöffnung entweichen. Eine weitere, mehr spezifische Aufgabenstellung der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Reduktion von Metallerzen nach der Wirbelschicht- Technik, die hier vorteilhaft anzuwenden ist, so zu gestalten, daß sehr heiße Reduktionsgase, beispielsweise Abgase aus einem Schmelzreduktionsgefäß, mit einer Temperatur über 1700°C direkt in die Mischkammer geleitet, anschließend in der Mischkammer auf eine günstige Reduktionstemperatur abgekühlt werden und dabei keine nennenswerten Mengen von Feststoffpartikeln im Gegenstrom aus der Mischkammer in das Reduktionsgaszuführungsrohr entweichen. Eine zusätzliche Zielsetzung der Erfindung besteht darin, das Verfahren so zu gestalten, daß es sich bevorzugt in Verbindung mit einem Schmelzreduktionsprozeß betreiben läßt.

Diese Gesamtaufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die heißen Gase in die Mischkammer mit einer Gasgeschwindigkeit unmittelbar vor der Eintrittsöffnung der Mischkammer von mindestens 35 m/sec eingeleitet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das heiße Gas durch ein Gaseinleitungsrohr mit einem Längen-(l-)zu-Durchmesser-(D-) Verhältnis l/D größer 1 in die Mischkammer eingeleitet, und die abwärtsgerichtete Randströmung der Feststoffpartikel im unteren konischen Teil der Mischkammer, die einen Neigungswinkel kleiner 70° hat, wird so geführt, daß sie mit der im wesentlichen senkrecht aufwärtsgerichteten Strömung der heißen Gase an der Gaseinlaßöffnung der Mischkammer mit einem Winkel von mindestens 20° zusammentrifft.

Das Verfahren gemäß der Erfindung bewirkt, daß keine Feststoffpartikel in das Gaseinleitungsrohr am Boden der Mischkammer entweichen und alle Feststoffpartikel die Mischkammer nur in Strömungsrichtung verlassen.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer über ein Gaseinleitungsrohr verfügt, durch das die heißen Gase in die Mischkammer gelangen, daß dieses Gaseinleitungsrohr ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis l/D größer 1 hat und daß die Mischkammer einen unteren konischen Teil besitzt, dessen Wände einen Neigungswinkel von kleiner 70° aufweisen.

Bei der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung für die Reduktion von Metalloxyden benutzt man bevorzugt ein Wirbelbett oder ein zirkulierendes Wirbelbett. Der Reaktor besteht dabei aus einer Mischkammer, in der man die Metallerze und das heiße Reduktionsgas zusammenmischt, einem Zyklon zur Trennung dieser Feststoffpartikel und der Gase aus der Mischkammer, einem Steigrohr, das den Suspensionsstrom aus Feststoffpartikeln und Gas von der Mischkammer in den Zyklon leitet, und einem Feststoffrückführungsrohr, um mindestens einen Teil der Feststoffe aus dem Zyklon in die Mischkammer zu transportieren.

Die erfindungsgemäß hohe Eintrittsgeschwindigkeit größer 35 m/sec der heißen Gase in die Mischkammer hat entgegen der bestehenden Auffassung, daß hohe Einblasraten in der Mischkammer zu Nachteilen führen, in überraschender Weise eine vorteilhafte Strömungscharakteristik in der Mischkammer ergeben, die sich in einer Reihe von positiven Wirkungen zeigt.

Die erfindungsgemäß hohen Gaseintrittsgeschwindigkeiten in die Mischkammer ergeben in unerwarteter Weise nicht die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile, sondern führen zu den nunmehr im einzelnen erläuterten vorteilhaften Effekten.

In einem Fluxflow-Reaktor kann bei Anwendung der Erfindung eine gezielte Temperatureinstellung der Mischung aus den Feststoffteilchen, wie Metallerz, Sand oder Abgasstaub, und dem heißen Gas, wie Abgas aus dem Schmelzreduktionsgefäß oder Abgas aus einem Brennraum, herbeigeführt werden.

Erfindungsgemäß ist dazu mindestens ein Teil bis hin zur gesamten Mischkammerinnenoberfläche zwangsgekühlt, beispielsweise wassergekühlt. Ein Teil der Mischkammerinnenwand kann ein- oder mehrschichtig mit feuerfestem Material ausgekleidet sein, auch zwangsgekühlte Bereiche. Durch die Wahl des Verhältnisses von nicht mit feuerfestem Material ausgekleideter, zwangsgekühlter zu mit feuerfestem Material isolierter Mischkammerinnenoberfläche besteht eine erste Steuermöglichkeit zur Temperatureinstellung der Wirbelbettmischung in der Mischkammer. Eine weitere Regelmöglichkeit ergibt sich bereits aus der Wahl des Kühlmediums, das durch die Kühlkanäle der Mischkammerinnenoberfläche strömt. Es können beispielsweise Wasser, Öl, Wasserdampf, Preßluft oder Mischungen davon zum Einsatz kommen.

Eine weitere Maßnahme zur Temperatursteuerung der Wirbelbettmischung in der Mischkammer besteht darin, die Zufuhrmenge von neuen Feststoffpartikeln, wie Metallerz, zu regeln. Weiterhin können auch direkt Kühlmittel, wie beispielsweise Wasserdampf, Wasser und/oder Öl, in die Mischkammer eingedüst werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ergibt sich daraus, die Mischkammer als Kühler für das heiße Reduktionsgas zu benutzen, sobald die Eintrittstemperatur des Reduktionsgases über der optimalen Reduktionstemperatur für die Metallerze liegt. Hauptsächlich kommt nämlich als Reduktionsgas das Abgas aus einem Schmelzreduktionsgefäß zum Einsatz. Dessen Temperatur ist normalerweise deutlich höher als die geforderte vorteilhafte Reduktionstemperatur. Dieses Abgas ist üblicherweise mit Staub und Metalltropfen beladen und gelangt bevorzugt von einer Seite, beispielsweise von unten, zentral mit relativ hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer. Erfindungsgemäß liegt die Eintrittsgeschwindigkeit über 35 m/sec, und sie kann variieren, u. a. abhängig von beispielsweise der Partikelgröße und dem spezifischen Gewicht der Partikel sowie der Wirbelschichthöhe in der Mischkammer, der Gesamtmenge von zirkulierendem Wirbelbettmaterial, Abmessungen und Form der Mischkammer.

Die Mindestgeschwindigkeit ist auch in einem gewissen Rahmen abhängig vom Betriebsdruck der heißen eingeleiteten Gase. Die minimale Gasgeschwindigkeit ist kleiner bei höherem Betriebsdruck. Im Fall von Abgas aus einer Schmelzreduktionsanlage kann der Druck im Schmelzreduktionsgefäß auch den Druck in der Mischkammer beeinflussen. Zum Beispiel kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter sonst gleichen Bedingungen die Gaseintrittsgeschwindigkeit in die Mischkammer bei einem Betriebsdruck von etwa 1,5 bar mindestens 120 m/sec und bei einem Betriebsdruck von etwa 3,5 bar mindestens 85 m/sec betragen.

Das sich einstellende Strömungsbild in der Mischkammer wird bestimmt von der relativ hohen Gaseintrittsgeschwindigkeit und auch von der Form und den Abmessungen des Gaseinleitungsrohres und des unteren Teils der Mischkammer, womit man erfindungsgemäß sicherstellt, daß das Wirbelbett in der Mischkammer verbleibt und die Temperatur der heißen Gase optimal verringert wird. Die schnelle Kühlung der Gase führt bei der Reduktion von Metallerzen zu einer schnellen Temperaturerniedrigung der eingeleiteten Reaktionsgase auf eine für die Reduktion vorteilhafte Temperatur, und aus der guten Mischung von Gas und Feststoffen resultiert ihre gleichmäßige Reduktion im Wirbelbett. Man kann sich in einem Fluxflow- Reaktor die Strömungscharakteristik wahrscheinlich so vorstellen, daß in der Mitte die Strömung ungefähr der Symmetrieachse folgt und an der Gefäßwandung entgegengesetzt gerichtet ist. Somit ergibt sich eine innere Zirkulationsströmung. Bei der typischen, senkrecht angeordneten Mischkammer kommt es in der Gefäßmitte zu einer aufsteigenden und an der Gefäßaußenwand zu einer abwärts gerichteten Strömung.

Gemäß der Erfindung ist der Konusneigungswinkel des unteren Mischkammerteils und damit die Abwärtsströmungsrichtung der Partikel auf kleiner 70°, vorzugsweise 45° bis 70° begrenzt. Die Eintrittsöffnung für das heiße Gas ist bevorzugt zentral im unteren konischen Teil der Mischkammer angeordnet. Weiterhin besteht die Mischkammer aus einem zylindrischen Mittelteil und einem oberen konischen Bereich mit der zentralen Öffnung für das angeschlossene Steigrohr. Als besonders vorteilhaft erweist sich für den unteren konischen Teil der Mischkammer ein Neigungswinkel zur Horizontalen zwischen 45° und 70°, bei dem sich in überraschender Weise eine besonders bevorzugte Strömungscharakteristik ergibt. Falls dieser Neigungswinkel, d. h., der Winkel für die Neigung der Wände im unteren konischen Bereich der Mischkammer, größer als 70° wird, nähert sich die Abwärtsströmung der Partikel immer mehr der senkrechten Richtung, und die Partikel können dann mit hoher Geschwindigkeit in das Gaszuführungsrohr gelangen. Diese Partikel, die aus der Mischkammer entweichen und somit dem Wirbelbett verlorengehen, können auch zu Ansätzen im Gaseinleitungsrohr führen und erweisen sich damit als problematisch für die Gasströmung.

Das Gaseinleitungsrohr wird erfindungsgemäß so konstruiert, daß es ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis l/D von größer 1 aufweist um sicherzustellen, daß Partikel oder Partikelagglomerate, die möglicherweise in das Gaszuführungsrohr gelangen, dort wieder zerfallen und durch die hohe Gasgeschwindigkeit im Einleitungsrohr wieder in die Mischkammer zurücktransportiert werden.

Gemäß der Erfindung verlassen die Feststoffteilchen zusammen mit dem Reduktionsgas die Mischkammer nur in Strömungsrichtung, d. h., sie strömen ausschließlich in das nachgeschaltete Steigrohr hinein. Der Austrag von Feststoffpartikeln aus der Mischkammer entgegen der Strömungsrichtung in das Gaszuführungsrohr wird wahrscheinlich durch die hohe Gaseintrittsgeschwindigkeit von mindestens 35 m/sec vermieden. Insbesondere bei der Kombination des Verfahrens nach der Erfindung mit einer Schmelzreduktionsanlage, wobei im Wirbelbett in der Mischkammer Partikelabmessungen größer 1 mm und mit einem spezifischen Gewicht D größer 4 g/cm³ vorhanden sind, ist diese Wirkung besonders vorteilhaft, wenn die Gasgeschwindigkeit unmittelbar vor der Eintrittsöffnung der Mischkammer mindestens 60 m/sec, vorzugsweise mindestens 100 m/sec beträgt.

Bei anderen Anwendungen, beispielsweise zur Kühlung und/oder Reinigung von heißen Gasen aus Brennkammern, Vergasern oder anderen Hochtemperatur- Verfahren, wie Sinteranlagen, in einem Wirbelbett mit einer hauptsächlichen Partikelgröße von 4 bis 200 µm und einem spezifischen Gewicht D kleiner 4 g/cm³ läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich einsetzen, um den Austritt von Partikeln, beispielsweise Flugasche, aus der Mischkammer in das Gaszuführungsrohr zu vermeiden. Die Geschwindigkeit der heißen Gase unmittelbar vor der Eintrittsöffnung der Mischkammer ist dann bevorzugt zwischen 35 und 80 m/sec einzustellen.

Die Erfindung kann, wie bereits gesagt, bei Verfahren zur Reduktion von Metallerzen erfolgreich angewendet werden. Die optimale Temperatur für die Reduktion der Metallerze herrscht dabei im Steigrohr des Wirbelbettreaktors. Die Maßnahmen zur Temperatureinstellung sind bereits beschrieben. In der Praxis kann von einer bekannten mittleren Reduktionsgastemperatur und -menge sowie bekannten Stoffzugaberaten für Erz, Rückgut aus dem Zyklon einschließlich Trägergas und verschiedenen Zuschlägen, beispielsweise Schlackenbildnern, ausgegangen werden. Daraus läßt sich eine Wärmebilanz aufstellen und die theoretische Gastemperatur beim Verlassen der Mischkammer ausrechnen. Diese theoretische Gastemperatur liegt normalerweise über der optimalen Reduktionsgastemperatur, und es ist demgemäß die Wärmeabfuhr und das Verhältnis von zwangsgekühlten zu feuerfest ausgekleideten Innenwandflächen in der Mischkammer festzulegen, damit die Reduktionsgastemperatur beim Eintritt in das Steigrohr der gewünschten Temperatur entspricht.

Die senkrechte Anordnung der Mischkammer mit Reduktionsgaseintrittsöffnung unten an der Mischkammer im Bereich der Symmetrieachse und dem sich an die Mischkammer anschließenden Steigrohr an der gegenüberliegenden Seite stellt zwar eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, ist aber nicht der einzig mögliche Aufbau.

Die rückgeführten Feststoffmengen vom Zyklon zur Mischkammer, es kann sich dabei beispielsweise um teilreduzierte Metalloxide handeln, steigen dann mit dem Wirbelbett der Mischkammer wieder auf, und so wird die Funktion eines zirkulierenden Wirbelbettes aufrechterhalten. Es ist möglich, zwei oder mehrere Zyklone in einem Wirbelbettreaktor einzusetzen, z. B., um das Abscheiden feiner Stäube zu verbessern.

Aus dem Feststoffrückführungsrohr kann ein beliebiger Anteil des Gutstromes abgezweigt und weiteren Verarbeitungsstufen oder einem Lagerbunker zugeführt werden. Als besonders vorteilhaft und im Sinne der Erfindung hat es sich erwiesen, die teilreduzierten Metalloxide direkt, also noch aufgeheizt, einer Schmelzreduktionsanlage zuzuleiten, beispielsweise dem Schmelzreduktionsgefäß zuzuführen, in dem das Abgas für die Mischkammer entsteht.

Die Dichte des Wirbelbettes ist in den einzelnen Anlageteilen unterschiedlich. So ist die Wirbelbettdichte, d. h., die Dichte der Suspension aus Feststoffteilchen und Gas, in der Mischkammer zwischen 10 kg/m³ und 200 kg/m³, vorzugsweise jedoch zwischen 20 und 100 kg/m³. Im anschließenden Steigrohr ist die Gutstromdichte geringer und beträgt im oberen Teil, also vor dem Eintritt in den Zyklon, 2 kg/m³ bis 30 kg/m³, vorzugsweise jedoch 3 kg/m³ bis 10 kg/m³. Im anschließenden Feststoffrückführungsrohr aus dem Zyklon zur Mischkammer hin liegt die Gutstromdichte normalerweise über den Werten vor dem Eintritt in den Zyklon.

Die Mischkammer ist für den Fluxflow-Reaktor, auf den sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht, ein wichtiger Anlagenteil. Es ist normalerweise ein rotationssymmetrischer gestreckter Gefäßtyp, der am unteren Ende den Anschluß für das Reduktionsgaszuführungsrohr aufweist und am oberen Ende in das Steigrohr übergeht. Der freie Durchmesser des Steigrohres ist im Vergleich zum freien Durchmesser des Reduktionsgaszuleitungsrohres normalerweise größer. Das Feststoffrückführungsrohr endet in der Mischkammer. Dem Prozeß wird neues Material, beispielsweise nicht vorreduziertes, also frisches Metallerz, in der Mischkammer über einen gesonderten Anschluß zugeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einer Zeichnung und an einem Beispiel näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den Längsschnitt durch die Mischkammer eines Wirbelbettreaktors, wie er bei der Anwendung der Erfindung für die Reduktion von Metallerzen eingesetzt wird.

Die Mischkammer besteht aus einem unteren konischen Teil 1, einem zylindrischen Mittelstück 2 und einem oberen konischen Teil 3. Das Reduktionsgas strömt über die Leitung 4, die den Durchmesser D5 und eine Länge l15 aufweist, in die Mischkammer. Das Verhältnis von der Länge l15 zu dem Durchmesser D5 ist l/D größer 1. Im Bereich der Reduktionsgaseintrittsöffnung der Mischkammer kann eine Ringdüse 6 vorgesehen sein, die mit verschiedenen Gasen beaufschlagt wird, um Ansätze aus klebrigen Abgasfeststoffen zu unterdrücken und das Strömungsbild in der Mischkammer günstig zu beeinflussen.

Die Mischkammer kann auch einen quadratischen oder rechteckigen/länglichen Querschnitt aufweisen. In diesem Fall, bei dem auch die Einlaßöffnung quadratisch oder rechteckig ist, versteht man unter dem l/D-Verhältnis das Verhältnis von Länge zur kürzeren Seitenlänge der Eintrittsöffnung.

Die Außenhaut 7 der Mischkammer besteht aus Stahlblech. Diese Außenhaut kann ganz oder teilweise zwangsgekühlt sein. In diesem Fall ist sie komplett wassergekühlt (nicht dargestellt). Der untere Konus 1 und teilweise auch das zylindrische Mittelstück 2 sind mit einer feuerfesten Ausmauerung 8 versehen. Diese feuerfeste Auskleidung dient hauptsächlich zur Isolation, um die Wärmeabfuhr des Wirbelbettes in der Mischkammer zu regulieren.

Das Steigrohr 9 mit dem Durchmesser 10 schließt sich direkt an die Mischkammer an. Über das Feststoffrückführungsrohr 11 gelangen die Feststoffe aus dem Zyklon zurück in die Mischkammer. Das Zuführungsrohr für feinkörniges Frischerz in das Wirbelbett der Mischkammer ist nicht dargestellt.

Ein erfindungswesentliches Detail der Mischkammer ist der untere konische Gefäßteil 1 und dort insbesondere der Neigungswinkel 12 für diesen Konus. Dieser untere Gefäßteil kann, wie hier gezeigt, konisch sein, aber auch andere Formen sind möglich, z. B. in Reaktoren mit rechteckigem Querschnitt. Vorteilhafte Strömungsbilder für das Wirbelbett ergeben sich bei einer zentralen Gaseinlaßöffnung im unteren konischen Teil der Mischkammer, wenn der Neigungswinkel 12 für den konischen Teil 1 45° bis hin zu 70° beträgt. Beispielsweise hat sich ein Neigungswinkel 12 von 65° bewährt.

Als nichteinschränkendes Beispiel für das Verfahren zur Reduktion von Metallerzen in einem Wirbelbett erfolgt nun die Beschreibung für die Vorreduktion von Eisenerz. Dabei ist der erfindungsgemäße Prozeß integraler Bestandteil einer Schmelzreduktionsanlage zur Erzeugung von flüssigem Eisen.

Für die Erzeugung von 500 t flüssigem Eisen pro Tag in der Schmelzreduktionsanlage werden 831 t feinkörniges Erz zusammen mit Schlackenbildnern im Wirbelbett vorreduziert und im aufgeheizten Zustand dem Schmelzreduktionsgefäß zugeführt. Das Abgas aus diesem Schmelzreduktionsgefäß mit einer Analyse von 16% CO, 10% CO₂, 3,6% H₂, 10% H₂O, 60,4% N₂, Temperatur 1680°C und einer Staubbeladung von 2,9 t/h, strömt mit einer Rate von 72 000 Nm³/h und einer Eintrittsgeschwindigkeit von 120 m/sec direkt in die Mischkammer des Wirbelbettes. Im Eintrittsbereich der Mischkammer befindet sich eine Ringdüse, durch die zusätzlich Gas einströmt, um insbesondere Ansätzen entgegenzuwirken, die sich aus dem mitgeführten klebrigen Staub des Abgases hier bilden können.

Die Mischkammer und die untere Hälfte des Steigrohres sind wassergekühlt. Es strömen ca. 350 Nm³/h Wasser durch das Kühlsystem, und sie erwärmen sich dabei von 50°C auf 80°C.

Neben dem genannten Abgas werden in die Mischkammer noch 32 t/h Erz und ein Mehrfaches dieser Menge an vorreduziertem Erz über das Feststoffrückführungsrohr eingeleitet. Ein Teil der vorreduzierten Erzmenge wird dem Schmelzreduktionsgefäß zugeführt (in der Abbildung nicht dargestellt). Das vorreduzierte Erz hat eine mittlere Analyse von 24% Fe₃O₄, 58% FeO, 4% SiO₂, 7,6% CaO, 2,6% Al₂O₃, Temperatur 850°C.

Im Steigrohr beträgt die Fließbett-Temperatur 900°C, und es strömen die Feststoffe zusammen mit 80 000 Nm³/h Gas durch das Steigrohr in den Zyklon.

Das zur Vorreduktion eingesetzte Abgas weist nur noch ein relativ geringes Reduktionspotential auf, da es aus einem Schmelzreduktionsprozeß stammt, der mit einer Nachverbrennung von ca. 50% der Reaktionsgase CO und H₂ arbeitet. Es liegt selbstverständlich im Sinne der Erfindung, Reduktionsgase einzusetzen, die ein höheres Reduktionspotential aufweisen und damit zu einem besseren Reduktionsgrad der Metallerze führen. Die Flexibilität und die Möglichkeit, dieses Verfahren mit anderen Prozessen oder Prozeßstufen zu kombinieren, stellt ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung dar.

Es sind eine Reihe von Modifikationen, Anwendungen und Änderungen zu den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen und Beispielen möglich, ohne den Umfang und die Lehren der Erfindung zu verlassen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Behandlung von heißen Gasen und/oder Feststoffen mit heißen Gasen in einem Wirbelbett, wobei der Wirbelbettreaktor stromabwärts gesehen im wesentlichen aus einer Mischkammer, einem Steigrohr und einem Zyklon mit Feststoffrückführungsrohr zur Mischkammer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase in die Mischkammer mit einer Gasgeschwindigkeit unmittelbar vor der Eintrittsöffnung der Mischkammer von mindestens 35 m/sec eingeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase, die in der Mischkammer als Fluidisierungsgas benutzt werden, der Mischkammer durch eine Gaszuführungsleitung mit der Länge l, dem Durchmesser D und einem Verhältnis l/D größer 1 zugeführt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mischkammer nach unten gerichtete Randströmung der Feststoffpartikel so geführt wird, daß sie auf den in die Mischkammer eingeleiteten Strom der heißen Gase mit einem Winkel von mindetens 20° auftrifft.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Reduktionsgas mit einer Eintrittsgeschwindigkeit von mindestens 60 /msec, vorzugsweise 100 m/sec in die Mischkammer eingeleitet wird, im Wirbelbett der Mischkammer sich Feststoffpartikel mit einem spezifischen Gewicht größer 4 g/cm³ befinden und der Abstrom der Feststoffpartikel aus der Mischkammer nur stromabwärts bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wirbelbettes im Steigrohr, abhängig von den Metallerzen, auf eine für die Reduktion dieser Metallerze günstige Temperatur eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Reduktion von Eisenerzen eine Wirbelbett-Temperatur von 750 bis 1050°C, vorzugsweise 900°C eingeregelt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellung des Wirbelbettes in der Mischkammer durch Verändern des Verhältnisses von zwangsgekühlter zu ausgemauerter Innenoberfläche der Mischkammer, Verändern des Kühlmediums, Verändern der Kühlmediendurchlaufgeschwindigkeit, Verändern der Erzeingaberate, Zugabe von Kühl- oder Heizmitteln erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellung in der Mischkammer durch die Kombination aller genannten Schritte oder durch die Kombination einer beliebigen Anzahl der genannten Schritte oder durch einen der genannten Einzelschritte alleine geregelt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer als Gaskühler für das Reduktionsgas, insbesondere Abgas aus einem Schmelzreduktionsgefäß, eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gutstromdichten der Suspension aus Feststoffteilchen und Gas in der Mischkammer auf 10 bis 200 kg/m³, vorzugsweise auf 20 bis 100 kg/m³ und im Steigrohr vor dem Zyklon auf Werte von 2 bis 30 kg/m³, vorzugsweise auf 3 bis 10 kg/m³ eingestellt werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Gase von einer Brennkammer, einem Vergaser oder einem anderen Hochtemperatur-Prozeß, der heiße Gase erzeugt, mit einer Gasgeschwindigkeit von 35 bis 80 m/sec in die Mischkammer eingeleitet werden, wobei im Wirbelbett Feststoffpartikel hauptsächlich mit einer Partikelgröße von 4 bis 200 µm und einem spezifischen Gewicht von kleiner 4 g/cm³ vorhanden sind und keine Feststoffteilchen stromaufwärts in die Gaszuführungsleitung entweichen.

12. Vorrichtung zur Behandlung von heißen Gasen und/oder Feststoffen mit heißen Gasen in einem Wirbelbett, wobei der Wirbelbettreaktor stromabwärts gesehen im wesentlichen aus einer Mischkammer, einem Steigrohr und einem Zyklon mit Feststoffrückführungsrohr zur Mischkammer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer eine Gaszuführungsleitung für die heißen Gase aufweist und daß diese Gaszuführungsleitung ein Längen-Durchmesser-Verhältnis l/D größer 1 besitzt und daß die Mischkammer über einen unteren konischen Gefäßteil mit einem Konusneigungswinkel kleiner 70° verfügt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der untere konische Teil der Mischkammer einen Konusneigungswinkel zwischen 45° bis 70° besitzt.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Außenwand der Mischkammer vollständig oder teilweise zwangsgekühlt, vorzugsweise wassergekühlt ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Mischkammer vollständig oder teilweise mit einer ein- oder mehrschichtigen feuerfesten Auskleidung versehen ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinleitungsöffnung der Mischkammer mit einer Ringdüse zum Einleiten von Zusatzgas ausgestattet ist.