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Schachtofen zur Reduktion von Erzen und zur Ausführung anderer Reaktionen
Es sind bereits Schachtöfen mit Einführung von Frischluft oder anderem. Gas zur
Durchführung von ununterbrochenen Verfahren, wie z. B. Reduzieren, Rösten, Kalzinieren,
bekannt, bei denen die Luft oder das sonstige Gas in die Reaktionszone des Ofens
durch die senkrechte Ofenwandung in einer oder mehreren übereinanderliegenden Schichten
eingeleitet wird und die Abgase dieser Zone teils im Gegenstrom zur abwärts gehenden
Beschickung zwecks deren Vorwärmung und teils im Gleichstrom mit der Beschickung
zwecks Verlängerung der Reaktionszone abgeführt werden.
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Die Zerlegung des 1',bgasstromes eines Schachtofens in zwei gegensinnig
verlaufende Teilströme weist wesentliche praktische Mängel auf. Die Frischgase werden
der Reaktionszone durch radiale, in der senkrechten Ofenwand eingebaute Düsen zugeleitet,
und dadurch ergibt sich ein außerordentlich großer Wärmeverlust durch Strahlung
in der Nähe der auf sehr hohe Temperatur kommenden Ofenwandung. Auch können diese
senkrecht zur Bewegungsrichtung der Beschickung stehenden Düsen leicht den Abwärtsgang
der Beschickung hemmen. Da die hohen Temperaturen nahe und an der Ofenwandung auftreten,
ist es unerläßlich,'den Ofen mit einem Wassermantel zu umgeben, der aber außerordentlich
viel Wärme wegnimmt und deshalb den Wärmeverlust des Ofens beträchtlich vergrößert.
Ferner spielen sich alle Reaktionen an der Ofenwandung ab, und es bleibt daher ein
mittlerer Beschickungskern, der praktisch nicht an den gasförmigen keaktioneri teilnimmt.
Da die Verbrennungs- und Reaktionszonen hoher Temperatur sich in unmittelbarer Nachbarschaft
der Ofenwandung befinden, ist auch die Zuführung von reinem Sauerstoff praktisch
undurchführbar.
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Nach der Erfindung werden nun diese und ähnliche Übelstände bei einem
zur Reduktion von Erzen und zur Ausführung anderer Reaktionen dienenden Schachtofen
mit Zuführung der für die Verbrennung der Kohle in der Beschickung erforderlichen
Luft oder eines anderen Gases an einer etwa in der Mitte der Schachthöhe gelegenen
Stelle und mit Abführung der Abgase sowohl am oberen wie am unteren Ende des Schachtes
dadurch vermieden, -daß die Zuführung der Luft oder des sonstigen in den Ofen einzuleitenden
Gases durch eine oder mehrere Leitungen an einer oder mehreren etwa in der Achse
des Ofens ausmündenden Stellen erfolgt. Am Umfang des Ofens sind Beschickungsvorrichtungen
für einen Futterstoff, z. B. Kohle welcher eine unmittelbare Berührung der Beschickung
mit der Ofenwandung verhindert, vorgesehen.
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Ein in dieser Weise ausgebildeter Schachtofen weist ein Mindestmaß
von Wärmeverlust durch Strahlung auf, da der Zutritt der Frischgase in der Mitte
des Ofeninneren stattfindet, so daß die Ofenwandung vor übermäßig hohen Temperaturen
geschützt ist und daher nicht Veranlassung zu einem wesentlichen Wärmeabgang durch
Strahlung sein
kann. Die Vermeidung zu hoher Temperaturen an der
Ofenwandung macht auch die Anordnung eines wärmevergeudenden Wassermantels unnötig.
Die Verbrennungs- und Reaktionszonen hoher Temperatur sind von t,t Ofenwandung entfernt
und nach der Ofmitte zu verlegt, wodurch die Anwendung v ori reinem Sauerstoff möglich
wird und eine Teilnahme der ganzen Beschickung an den Reaktionen sowie eine Ausnützung
der verfügbaren Wärme mit bestem Wirkungsgrad gewährleistet ist. Da die in den Ofen
die Frischgase einführenden Düsen senkrecht, d. h. parallel zur Bewegungsrichtung
der Beschickung, stehen, können sie diese in ihrem Abwärtsgang nicht hemmen. Die
Auskleidung mit einer Schicht von Kohle oder ähnlichem Futterstoff entzieht die
Ofenwandung praktisch vollkommen der Verbrennungswirkung von Sauerstoff und Kohlenoxyd,
und diese Auskleidung läßt sich infolge der Anordnung der Gaszufuhrdüsen in oder
nahe der Ofenachse leicht zu einer im Betrieb sich dauernd selbsttätig erneuernden
Schicht ausbilden. Auf Grund dieser Düsenanordnung ergibt sich auch eine günstige
radiale Strömung der Gase, indem die Bewegung der Gase durch die Zunahme der von
ihnen durchströmten Querschnitte und damit durch eine Abnahme des Strömungswiderstandes
erleichtert wird.
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Der Schachtofen nach der Erfindung kann für zahlreiche und verschiedene
Anwendungen benutzt werden. Beispielsweise eignet er sich für die Behandlung von
Erzen, z. B. von Zink, Oxyden, Sulfiden oder ähnlichen Körpern, für die eduktion
von Sulfaten in Sulfide, die Gewinnung von Luftstickstoff in Form von Cyanid und
Azotid, die Reduktion von Phosphaten in Phosphor, die Reduktion und die gleichzeitige
Behandlung durch Halogene, die Herstellung von Chromeisen, Mangan, Silicium, erdalkalischen
oder metallischen Carbiden, Alkalimetallen, Blei, Antimon und anderen Metallen.
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Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise und in schematischer
Darstellung eine Ausführungsform eines Reaktionsofens nach der Erfindung im Längsschnitt.
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Das den zylindrischen Ofenraum umgebende Mauerwerk G ist im allgemeinen
aus hitzebeständigen Steinen gebildet, kann aber je nach den Erfordernissen der
auszuführenden Reaktionen auch aus einer Stampfmasse von Kohle bestehen. Der zylindrische
Ofenraum ist mit einem Futter A ausgekleidet, das aus finit Teer oder einem anderen
Bindemittel zusammengeballter Kohle oder aus anderem geeigneten Futterstoff gebildet
ist. Dieses zylindrische Futter A wird vorzugsweise fortlaufend und dauernd mit
Hilfe einer kreisförmigen Zuführungsrinne T und einer mechanischen Nachfüllvorrichtung
IbI erzeugt, so daß durch die Wirkung der Teile T und 11i1 auf den Futtertoff
A die aus diesem bestehende Röhre nach ;'Unten gedrückt wird, sobald sie für diese
Be--:'wegung dadurch freigeeben wird, daß man 4i@r unteres Ende S mit- Hilfe von
durch die Löcher F eingeführten Kratzern entfernt. Die für gewöhnlich geschlossenen
Löcher F gestatten die Entleerung des abgestoßenen Endteiles des Auskleidungsrohres
A aus dem Ofen.
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In dem hitzebeständigen Mauerwerk G des Ofens, das als Wärmeschutz
dient, sind die senkrechten Kanäle H vorgesehen, in welchen die Reaktionsgase hochsteigen,
um dabei an das Mauerwerk G einen Teil ihrer Wärme abzugeben. In der Masse G können
auch Kanäle U ausgespart sein, welche die Möglichkeit bieten, den Ofen unabhängig
von seinem mittleren Feuerraum dadurch auf Temperatur zu bringen, daß man Heizgase
durch diese Kanäle schickt. Dieses Aufheizen des Ofens kann zu einem Dauerzustand
gemacht werden, so daß der Wirkungsgrad des Ofens unverändert bleibt, indem die
Verluste durch Wärmeleitung beseitigt oder mindestens zum großen Teil unterdrückt
sind.
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Der untere Teil B des Ofens besteht aus einem kastenförmigen Mauerwerk,
das mit Kohlenstoff überzogen und mit einer Höhlung zur Aufnahme der flüssigen Stoffe
sowie für deren Entleerung mit einer oder mehreren Kanälen D versehen ist. Ein weiterer
Kanal E im Kasten B dient zu der in passenden Zwischenräumen durchzuführenden Entleerung
eines Teiles des festen Kohlenstoffes der Reaktionssäule, dessen Dichtheit für den
freien Umlauf der Reaktionsgase störend werden könnte. Der Kasten B enthält ferner
Kanäle U', welche das Aufheizen der Auskleidung des Kastens B mit Hilfe von Heizgasen
gestatten, die in sie eingeleitet werden. Die dichte Verbindung R des Kastens B
mit dem oberen Ofenteil G ist derart ausgebildet, daß der Kasten B abgenommen werden
kann. Da die Auskleidung des Kastens B nicht während des Betriebes wie das Kohlenfutter
A des oberen Ofenteiles G erneuerbar ist, kann der ganze Kasten B im Bedarfsfalle
unmittelbar durch einen neuen Kasten ersetzt werden.
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Über dem zylindrischen Raum des Ofenfutters A ist die Abschlußvorrichtung
L mit dem Fülltrichter L' vorgesehen. Der untere Teil dieser Abschlußvorrichtung
L ist mit einer nach unten gerichteten Kreisrinne K versehen, die dazu -dient, die
Gase zu sammeln, ohne daß diese die ganze Beschickung des Fülltrichters L' zu durchströmen
brauchen. Die obere Säule des Brennstoffes und des zu behandelnden Gutes ist weniger
widerstandsfähig als die untere Säule, so daß hier ein positiver Druckbereich gegenüber
der Atino-
Sphäre aufrechterhalten werden kann, um den Eintritt
von Außenluft zu verhindern. , Von der Sammelrinne K geht das Rohr h ab,
das an einen konischen Aufnehmer W angeschlossen ist, in welchem auf irgendeine
Weise die Staubteilchen zurückgehalten werden. Die Vorrichtung W dient auch dazu,
eine genügende Kühlung der Gase zu gewährleisten, damit der Absauger O aus dem Ofen
eine genau bekannte Gasmenge abführt. Die Kühlwirkung ist nur ausnahmsweise in Betracht
zu ziehen, da die Gase im allgemeinen durch die Säule gekühlt aus dein Ofen austreten.
Der Absauger 0 läßt die Reaktionsgase in bestimmter Menge aus dem Ofen austreten.
Ein Verdichter P fördert Luft oder reinen Sauerstoff in das Innere des Ofens für
die Durchführung der Verbrennung über die LeitungP' und die Düse J. Die Düse J ist
in oder nahe der Achse des Ofens angeordnet und senkrecht oder etwas schräg gerichtet,
und ihre Austrittsöffnung mündet nach unten aus. Man kann auch zwei oder mehr derartige
Düsen vorsehen.
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Im Falle der Behandlung von flüchtigen Körpern, z. B. Zink, Natrium,
Kalium, ist der Reaktionsofen mit einem Verdichter N verbunden, in welchen die durch
die Kanäle H gehenden Reaktionsgase über das Rohr Y und die Düse Y' tangential eingeführt
werden, so daß sie im VerdichterN eine Kreiselbewegung erfahren. Das Rohr Y geht
von einem Kreiskanal H' aus, mit welchem die oberen Enden der senkrechten Kanäle
H in Verbindung stehen. Der untere Teil des zylindrischen Verdichters Nist als wärmeaufnehmende
Wand X ausgebildet und mit dem Entleerungsloch X' versehen. Der obere Teil des Verdichters
N ist als Kühlvorrichtung mit fortschreitender Kühlwirkung ausgebildet, indem er
aus einem Bündel von Rohren Z besteht, die in Reihe von Wasser durchströmt werden,
das sich sofort unter der Wirkung der Wärme im Verdichter in Dampf verwandelt. Das
Rohrbündel Z ist an seiner unteren Hälfte und im Inneren des Verdichters N durch
eine verhältnismäßig gut isolierendeWandZ' geschützt, welche dieVerdichtung der
in den Verdichter eingeführten Dämpfe beschränkt. Zwischen dem Röhrenbündel Z_ und
der wärmeisolierten Wand X kann man in der Verdichterwand eine oder mehrere ringförmige
Nuten 0' aussparen, welche die in dieser Zone sich verdichtenden Erzeugnisse sammeln,
worauf sie durch die von den Nuten 0' abzweigenden Kanäle 0" abgeführt werden können.
Am oberen Ende ist der Verdichter mit einem Auslaß 0 für die dampfförmigen Erzeugnisse
versehen.
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Um die Anlage nach der Zeichnung beispielsweise zur Gewinnung von
Zink aus Zinkoxyd unter Verwendung von Sauerstoff als Brennstoff zu benutzen, verfährt
man auf folgende Weise: Vor der Beschickung mit dem zu behandelnden .Gut wird der
Ofen auf eine der Betriebstemperatur nahekommende Temperatur mittels der Anheizkanäle
U, U' gebracht, indem man diese Kanäle mit Heizgasen speist. Dann wird der- durch
das Kohlenfutter A gebildete Zylinder über den Fülltrichter L' bis über die Nase
der Düse J mit Kohle gefüllt. Diese Kohlenmasse muß in genügender Menge vorhanden
sein, um die Gesamtheit des Ofens auf die Betriebstemperatur zu bringen und auf
dieser zu halten. Der über der Kohlenfüllung G' noch verfügbare Raum im Inneren
des Kohlenfutters A bis zum Fülltrichter L' wird nunmehr mit einem Gemisch G" von
Zinkoxyd und Kohle in bestimmter Menge gefüllt. Nunmehr werden der Verdichter P
und der Absauger 0 schrittweise auf ihre Betriebsgeschwindigkeit gebracht. Der Verdichter
P führt reinen Sauerstoff unter Druck durch die Düse J in die Kohlenmasse G' ein,
und der Absauger 0_ erzeugt in dem oberen Raum des Ofens einen Unterdruck.
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Der Absauger 0 hat die Aufgabe, einen Teil des durch die Verbrennung
von Kohlenstoff im Inneren des Futters A in der Höhe der Düse J entwickelten gasförmigen
Stromes abzuleiten und nach oben zu führen. Die nach oben gelenkte Gasmenge muß
so groß sein; daß die Kohle und die Zinkoxydbeschickung auf die mit der verhältnismäßig
schwachen Verflüchtigung des Zinkoxyds vereinbarte Höchsttemperatur gebracht werden.
Dieses verflüchtigte Oxyd wird vollständig durch die Kohle und durch das kalte körnige
Oxyd zurückgehalten. Die heiße, unmittelbar über der Düse J gelegene Zone ist von
geringer Dicke, da die sehr hohe Temperatur der kleinen Menge Gas rasch durch den
Kohlenstoff absorbiert wird. Diese Zone wirkt als Wärmespeicher mit der günstigsten
Art der Verbrennung, d. h. mit Verbrennung zu CO., für den größten
Teil.
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Diese Heizungsart bewirkt, daß, wenn das Zinkoxyd nicht rein ist,
die tauben Teile sowie die Aschenteile der Kohle mit der zu ihrer Verflüssigung
und damit zu ihrer Beseitigung notwendigen Wärme versehen werden, ohne dabei von
der unteren Zone unterhalb der Düse J abzuhängen. Aus diesem Grunde ruft die Anwesenheit
der tauben Teilchen auch nicht die Verdünnung des Zinkdampfes durch die Verbrennungsgase
hervor. Die Beseitigung des Benetzungswassers und des Konstitutionswassers sowie
der flüchtigen Kohlenwasserstoffe und ähnlicher Stoffe ist vollkommen gewährleistet.
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Das Kohlenfutter A wird wenig angegriffen, weil eine genügende Entfernung
zwischen
dem Futter und der Düse J liegt, so daß das C O, der Verbrennung
zu C O reduziert wird; bevor es das Futter A erreicht. Wenn man eine genügende Dicke
dieses Futters A vorsieht, stellen sich die erwähnten Bedingungen von selbst ein,
weil das Futter A sich bis zur Grenze C O aushöhlt. Der normale Betrieb frißt das
Futter an und gibt ihm dadurch eine kegelige Form mit nach unten gerichteter großer
Grundfläche, was bewirkt, daß die flüssigen und strömenden Stoffe, welche das Bestreben
haben, der Senkrechten zu folgen, sich mehr und mehr entfernen. Der Abnutzungsgrad
des unteren Teiles regelt die Senkgeschwindigkeit des zusammenhängenden, das Futter
A darstellenden Rohres aus Kohle.
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Das in der Zone über der Düse I gebildete Erzeugnis geht selbsttätig
durch die Kontinuität des Verfahrensganges in den abwärts fließenden Gasstrom über,
der infolge der Verbrennung in dieser Zone sehr rasch auf eine solche Temperatur
gebracht wird, daß das Zinkoxyd zum größten Teil verflüchtigt wird. Um nach Belieben
die Wirkungsweise der beiden Zonen regeln zu können, kann man eine gegenseitige
Änderung der Betriebsgeschwindigkeiten des Verdichters P und des Ansaugers O anwenden.
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In einigen Zentimetern Tiefe der unteren Zone ist das CO, vollständig
zu C O reduziert. Unter diesen Temperaturverhältnissen kann das Zinkoxyd der unmittelbaren
Reduktion in einer unendlich kleinen Zeit unterworfen werden und das Vorhandensein
der Zwischenphase C O -f- Zn O = CO, + Zn und CO. -f- C =:2
CO, kann nur als Grenzfall in Betracht gezogen werden. Die Reaktion
verläuft quantitativ infolge des durch die Masse G' gegebenen Kohlenüberschusses.
Die Dicke der Kohlenschicht wird derart gewählt, daß eine bestimmte Teilhöhe für
die Überwachung der Reaktion, wenn diese schon beendet ist, aufgespart bleibt.
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Unter diesen Bedingungen sind nur das Gas C O und der Zinkdampf im
unteren Teil des röhrenförmigen Kohlenfutters A vorhanden, und die Temperatur dieses
Gases ist bestimmt durch die Summe aus Zinkoxyd, tauben Bestandteilen und Beschickungskohle
und daher mit dieser Summe veränderlich. Die Zusammensetzung der Gase umfaßt im
Mittel ein Volumen Zinkdampf und vier Volumina CO. Die Temperatur und infolgedessen
der Ofengang kann durch ein Py rometer überwacht werden, das im Einlab des Verdichters
N angebracht sein kann, und eine Erhöhung der Temperatur zeigt einen Mangel an Zinkoxyd
an.
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Das Gemisch der Zinkdämpfe und des C 0-Gases steigt durch die Kanäle
H an und gibt dabei einen Teil seiner Berührungswärme an die Ofenwände ab, so daß
der Wärmeableitungsverlust des Kohlenzylinders A entsprechend vermindert wird. Die
Gase und die Dämpfe werden dann durch den Ringkanal H' gesammelt und durch das Rohr
0 nach dem Verdichter N geleitet, wo sie durch die TangentialöffnungY'eintreten,
die ihnen eineKreiselbewegung imVerdichter erteilt. Infolge dieser Kreiselbewegung
werden die Gase und die Dämpfe planmäßig und schrittweise durch Berühtung mit der
Wandung des Verdichters N gekühlt. Die verdichteten Erzeugnisse werden aus dem unteren
'Raum des Verdichters durch das Loch X' abgeführt, und die Dämpfe verlassen den
Verdichter durch die Offnung0.