EP3897950A1 - Injection device for discharging a gas, process gas system for supplying a process gas, and device and method for the thermal or thermo-chemical treatment of material - Google Patents

Injection device for discharging a gas, process gas system for supplying a process gas, and device and method for the thermal or thermo-chemical treatment of material

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Publication number
EP3897950A1
EP3897950A1 EP19828707.0A EP19828707A EP3897950A1 EP 3897950 A1 EP3897950 A1 EP 3897950A1 EP 19828707 A EP19828707 A EP 19828707A EP 3897950 A1 EP3897950 A1 EP 3897950A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
flow
injection device
heat exchanger
process gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP19828707.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Arian Esfehanian
Daniel Hipp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Onejoon GmbH
Original Assignee
Onejoon GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3897950A1 publication Critical patent/EP3897950A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J6/00Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/001Calcining
    • B01J6/004Calcining using hot gas streams in which the material is moved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J6/00Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
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    • B01J4/00Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/002Nozzle-type elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/04Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • F27B9/045Furnaces with controlled atmosphere
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/30Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/3005Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051Controlling the temperature
    • B01J2219/00074Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00119Heat exchange inside a feeding nozzle or nozzle reactor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/02Supplying steam, vapour, gases, or liquids
    • F27D2007/023Conduits
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • Injection device for dispensing a gas, process gas system for
  • the invention relates to an injection device for dispensing a gas, a process gas system for supplying a process gas and an apparatus and a method for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcining, of material, in particular battery cathode material.
  • a powdered cathode material is, for example, a lithium-containing transition metal precursor which is calcined in the furnace to form a lithium transition metal oxide. Depending on whether lithium hydroxide or lithium carbonate precursors are used, this process releases water (H 2 O) or carbon dioxide (CO 2 ) as exhaust gas from the lithium-containing transition metal precursor.
  • the temperature during the calcination of such materials depends in a manner known per se on the material to be treated and the type of furnace used.
  • the process gas which is blown into the process space mixes on the way to the material to be treated with the atmosphere which is already present in the process space.
  • This mixed gas, which ultimately reaches the material therefore contains the process gas in a lower concentration on the one hand and, on the other hand, exhaust gas already present in the process room atmosphere.
  • the effect of the process gas on the material to be treated can therefore only be influenced to a slightly satisfactory degree, and there is only limited control and control of the atmosphere prevailing on the material.
  • the process gas must be heated to the temperature in the process room.
  • this heating of the process gas takes place actively, ie using the energy required to generate the heat, by heating units.
  • the actively heated process gas is then, for example, a gas flow generated by a blower in gas lines, which for the most part leads outside the furnace, but partly also in the furnace wall, to the place of action in, on and in a close area around the battery. Cathode material directed. In order to avoid loss of thermal energy, cost-intensive and complex measures for isolating the gas line routed outside the furnace are necessary.
  • the temperature of the process gas fed in is generally considerably lower than the temperature of the process room atmosphere.
  • the process gas fed in is often not adequately heated before reaching the material to be treated or loses heat energy on the way there, so that incomplete reactions can result.
  • the cooler process gas can absorb heat from the material carriers or from other components of the conveyor system, which can lead to thermal stresses, which can lead to higher wear and possibly to premature failure of components and components of the furnace.
  • the object of the invention is therefore to provide an injection device for dispensing a gas, a process gas system for supplying a process gas and an apparatus and a method for thermal or thermo-chemical treatment, which counter the disadvantages from the prior art explained above and in the process space optimally passively and energy-efficiently transfer existing heat to the gas / process gas.
  • an injection device for dispensing a gas, in particular a process gas, onto a material, in particular onto a battery cathode material to be calcined, with a) at least one inlet, through which the gas can be fed to the injection device, and at least one outlet, through which the gas can be discharged from the injection device, which are connected to one another by a flow path for the gas; wherein b) the flow path has a heat exchanger with a heat exchanger housing which is accessible from the outside for an ambient atmosphere and in which a duct arrangement is accommodated; c) the channel arrangement comprises a first flow channel and a second flow channel, between which a deflection area is formed, such that the first and second flow channels can be flowed through by the gas with different main flow directions.
  • the injection device is arranged in a furnace or the like such that the existing process room atmosphere flows around the heat exchanger housing or at least is surrounded by the existing process room atmosphere, so that heat transfer is possible.
  • the heat transfer from the furnace atmosphere or from the furnace interior to the injection device takes place not only by flow, but also and possibly even predominantly by radiation. Even if there is no flow in the furnace, heat is transferred.
  • the heat exchanger housing can thus be arranged in a largely flow-free or even stationary process room atmosphere. In the following, it is assumed as an example that a moving process space atmosphere flows around the heat exchanger housing.
  • the at least one inlet and the at least one outlet are arranged essentially mirror-symmetrically or asymmetrically with respect to one another with respect to an axis of symmetry.
  • the channel arrangement has a third flow channel in addition to the first and second flow channels, a second deflection region being formed between the third and second flow channels, such that the second and third flow channels are separated from the gas with different main flows flow directions are flowable.
  • the flow channels preferably specify a meandering flow pattern within the channel arrangement.
  • a meandering flow course can be present in the case of a two-dimensional S flow course, but also three-dimensional channel arrangements which, for example, prescribe a tortuous flow course in which the flow is deflected at least twice and the deflections are in two at an angle to one another, in particular to one another vertical, planes.
  • the first and the second, the first and the third, or the second and the third flow channel advantageously define a common plane, the third or the second or the first flow channel being offset with respect to this plane or being arranged at an angle .
  • the gas flowing through the flow channels is redirected once within the defined level and once from the defined level to another level, that is to say for example to the left / right or up / down.
  • Deflections at an angle of 20 ° to 180 ° to the main flow direction in the respective flow channel are preferred.
  • a deflection by 180 ° causes a change in the main flow direction in a direction opposite to the main flow direction of the previous flow channel.
  • the channel arrangement comprises, in addition to the three flow channels, one or more further flow channels and in each case a deflection area in front of each further flow channel, such that the gas can flow through two successive flow channels with different main flow directions.
  • a core structure is formed in one or more flow channels.
  • the core structures can be arranged on the flow guide elements or on an inner surface of the heat exchanger housing. But they can also be arranged such that they form an annular space in the flow channels for the gas. In such an arrangement, the core structures can preferably be connected at the end with the inner surfaces of the heat exchanger housing.
  • the core structures are solid core bodies.
  • core bodies have throughflow openings in such a way that the gas flowing through the flow channels likewise flows through the throughflow openings and can therefore not only absorb heat energy on outer surfaces of the core bodies.
  • the core body it is also advantageous if, at least in sections, they have a cross section in the flow direction that is circular, elliptical, segmental, segmental, polygonal, in particular triangular, quadrangular, in particular trapezoidal, trapezoidal or rectangular, pentagonal, hexagonal or polygonal.
  • the core bodies can have indentations and / or protuberances for a further enlargement of the temperature transfer surface involved in the temperature transfer, with the volume of the flow channels remaining essentially the same. These indentations and / or protuberances can be present regularly or irregularly on the core bodies.
  • thermoelectric cooler and / or one or more of the flow channels can have a cross section, at least in sections, which is circular, is elliptical, segment-shaped, sector-shaped, polygonal, in particular triangular, four-sided, in particular trapezoidal, trapezoidal or rectangular, pentagonal, hexagonal or polygonal.
  • one or more of the flow channels in the respective main flow direction can have cross-sections which change in area shape and / or area size at least in sections.
  • the heat exchanger housing and walls of the flow channels formed therein are made of one or more particularly thermally conductive materials.
  • the material or the materials preferably have a specific thermal conductivity of 1> 50 Wm 1 K 1 , preferably 1> 75 Wm 1 K 1 and particularly preferably 1> 100 Wm 1 K 1 .
  • Particularly suitable materials for this are, for example, materials which have a metal content, for example elemental metals, metal alloys, metal oxides, metal nitrides or metal carbides.
  • the metal content can advantageously be copper (Cu), tin (Sb), zinc (Zn), silver (Ag), magnesium (Mg), nickel (Ni), beryllium (Be), aluminum (Al), potassium (Ka), Molybdenum (Mo), tungsten (W), sodium (Na), iron (Fe), silicon (Si) and tantalum (Ta).
  • Heat exchangers comprising silicon carbide (SiC) and copper alloys are particularly suitable for the injection device according to the invention due to their high thermal conductivity.
  • the heat exchanger mainly uses metal-ceramic materials.
  • materials are used which do not release metal or metal compounds at the present temperatures, which can contaminate the material to be calcined.
  • the channel arrangement can at least partially be formed by a flow guide structure which can be inserted into the heat exchanger housing and can be detachably fastened therein.
  • a flow control structure can be used here can be formed, for example, by connecting flow guide elements.
  • the heat exchanger housing can be provided as a hollow body, for example, and the flow guide structure can be used to form the channel arrangement in this prior to assembly of the injection device.
  • a detachable fastening of the flow guide structure enables a user to adapt the distance to be covered by the gas within the heat exchanger to the requirements of the respective production step.
  • the heat exchanger housing comprises housing caps, which in particular provide part of the channel arrangement.
  • part of the heat exchanger and the channel arrangement can be formed in one piece, for example as an extruded profile or a rolled profile.
  • the heat exchanger is then completed by the housing caps.
  • a separate flow guide structure can also be used in the heat exchanger shear housing with the housing caps removed, which are then introduced. It is advantageous if the housing caps define the deflection areas.
  • the injection device comprises a nozzle arrangement with one or more injection nozzles, by means of which the gas can be delivered in a directed manner to the material to be treated.
  • the nozzle arrangement can be a component independent of the heat exchanger, but can also be comprised by the heat exchanger.
  • a process gas system for supplying a process gas, in particular a process gas for a thermal or thermochemical treatment, in particular a calcination, of material, in particular battery cathode material, into a process space
  • a process gas in particular a process gas for a thermal or thermochemical treatment, in particular a calcination, of material, in particular battery cathode material
  • the above-mentioned object is achieved in that the Process gas system uses at least one injection device according to the invention, which comprises at least some of the features explained above for the injection device.
  • a device for thermal or thermo-chemical treatment in particular for calcining, of material, in particular battery cathode material, with a) a housing; b) a process space located in the housing; c) a conveyor system by means of which the material or support structures loaded with the material can be conveyed in a conveying direction in or through the process space; d) a heating system, by means of which a process room atmosphere prevailing in the process space can be heated, and e) a process gas system, by means of which a process gas can be supplied to the process space, which is required for the thermal or thermo-chemical treatment of the material, the above said object is achieved in that f) the process gas system is such a process gas system and the process gas can be dispensed in a targeted manner onto the material or onto the supporting structures loaded with material by means of the injection device; g) the injection device is arranged in such a way that the process atmosphere can flow around and / or irradiate the heat exchanger, so that the process gas can be
  • a method for thermal or thermo-chemical treatment in particular for calcining, material, in particular battery cathode material, in which a) the material or the supporting structures loaded with the material are conveyed through a process space of a device for thermal treatment of the material the; b) a process room atmosphere prevailing in the process room is heated, and c) a process gas which is required for the thermal or thermo-chemical treatment is supplied to the process space, the above object is achieved in that d) the process gas is heated with the aid of a heat exchanger which is arranged in the process space.
  • the process gas can preferably be supplied to the process space at a temperature which essentially corresponds to the temperature of the process space atmosphere.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a device for the thermal or thermochemical treatment of material with a process gas system, by means of which a process gas is guided through injection devices into a process space;
  • FIGS. 2a to 2c cross sections of the device of Figure 1, each with an exemplary embodiment from an injection device, in which a heat exchanger is arranged in the process space;
  • Figures 4a and 4b is a perspective view of a first embodiment of the heat exchanger according to the invention
  • Figures 5a and 5b is a perspective view of a second embodiment of a heat exchanger according to the invention.
  • Figures 6a and 6b is a perspective view of a third embodiment of the
  • FIG. 7a and 7b is a perspective view of a fourth embodiment of the
  • FIGS 8a to 8c cross sections of three further embodiments of the heat exchanger
  • Figures 9a and 9b is a perspective view of an eighth embodiment of the
  • Figures 10a and 10b is a perspective view of a ninth embodiment of the heat exchanger.
  • FIGS. 1 to 2c 10 denotes a device for the thermal or thermo-chemical treatment of material 12.
  • this device 10 is referred to as furnace 10 for the sake of simplicity.
  • FIGS. 2a to 2c for reasons of clarity, not all components and components that are already identified in FIG. 1 are provided with a reference number again.
  • the material 12 can be, for example, battery cathode material 14, which has to be calcined in the manufacture of batteries by a thermal treatment in the furnace 10.
  • the furnace 10 comprises a housing 16 with a bottom 16a, a ceiling 16b and two vertical side walls 16c and 16d, which delimits an interior 18 in which a process space 20 is located.
  • the housing 16 thus forms the housing of the process space 20.
  • the interior 18 of the furnace 10 can be defined by a separate housing 16 surrounding the housing Ge.
  • the process space 20 extends between an inlet 22 and an outlet 24 of the housing 16, which can each be closed with a gate 26.
  • an open inlet 22 and an open outlet 24 or, in contrast, a gas-tight double peltor lock can also be present, with which a separation of the atmosphere in the furnace from the ambient atmosphere is ensured.
  • the material 12 is conveyed through the process space 20 in a conveying direction 30 with the aid of a conveying system 28; the conveying direction 30 is indicated by an arrow only in FIG. 1.
  • the furnace 10 is designed as a continuous furnace and specifically as a push-through furnace in which the conveyor system 28 conveys the material 12 through the furnace 10.
  • the conveyor system 28 comprises a conveyor track 32, along which several support trays 34, so-called trays, are pushed, as is known per se. In FIG. 1, only one support base is provided with a reference symbol.
  • the conveyor system 28 comprises a thrust device 36 with a driven thrust punch 38, which pushes a support base 34 from the outside through the entrance 22 into the process space 20 into it.
  • This shelf 34 abuts against the first shelf 34 in the conveying direction 30, which is already in the process space 20, whereby all the shelves 34 located in the process space 20 are pushed one place further and the last shelf 34 in the conveying direction 30 through the outlet 24 the process space 20 is pushed out.
  • the furnace 10 can also be designed as a batch furnace, which has only one access through which the material 12 can be conveyed into and out of the process space 20.
  • the material 12 can be promoted depending on its nature as such with the aid of the conveyor system 28 and, for example, be placed directly on the shelves 34 from. This is possible, for example, if the material 12 is a structural work piece.
  • support structures 40 loaded with the material 12 are provided, which in the case of the battery cathode material 14 are formed as braziers 42, which in English terminology are referred to as so-called saggar.
  • These support structures 40 can be placed on top of one another in a manner known per se to form a shelf-like conveyor frame 44 having a plurality of levels, with in the present embodiment three support structures 40 loaded with battery cathode material 14 each forming a conveyor frame 44 and a support base 34 each such För derthere 44 carries.
  • Two or more than three, for example four, five, six or more levels per conveyor frame 44 are also conceivable; the number of possible levels largely depends on the overall height of the process space 20 and the support structures 40.
  • the conveyor frame 44 is a separate component, for example made of metal or ceramic, which receives the support structures 40 in several planes.
  • the furnace 10 comprises a heating system 45 known from the market and only schematically and only indicated in FIG. 1, by means of which an atmosphere prevailing in the process space 20 can be heated.
  • the atmosphere can be heated in a known manner by means of convection, electromagnetic heat radiation or heat diffusion.
  • Exemplary heating systems can therefore include radiant heating elements, heating ventilation elements or the like, which are arranged distributed on or in the furnace floor 16a, the furnace ceiling 16b and / or one of the vertical side walls 16c, 16d and / or in the process space 20 can.
  • a circulating air heating system can be considered, by means of which the furnace atmosphere is sucked out of the process space 20, heated up with a heating unit and blown back into the process space 20.
  • an exhaust gas 46 can arise, which must be withdrawn from the process space 20.
  • Such an exhaust gas 46 is indicated in FIGS. 2a to 2c in dashed lines and provided with a reference symbol.
  • water (H2O) or carbon dioxide (CO2) is formed as exhaust gas 46.
  • phases containing lithium (Li) can be released.
  • extraction system 48 which can be seen in FIGS. 2a, 2b and 2c and which comprises extraction openings 50 in the bottom 16a of the housing 16, via which the exhaust gas 46 is extracted from the process space 20 can be.
  • Components necessary for this and known per se, such as blowers, lines, filters and the like, are not specifically shown for the sake of clarity.
  • materials 12 can be thermally treated, in the thermal treatment of which a process gas is required.
  • oxygen (O2) for example, is required for effective calcination, which is blown into the process space 20 in the form of conditioned air.
  • air forms such a process gas.
  • the oxygen (O2) contained therein is converted during the formation of the metal oxide and water (H2O) and carbon dioxide (CO2) are produced.
  • Other process gases may be required for other processes.
  • oxygen-enriched air or pure oxygen is required; the oxygen content of such process gases can range from 21% to 100%.
  • An inert gas for example an inert gas, can also be used as the process gas required for smooth thermal or thermochemical treatment be understood. Therefore, the furnace 10 comprises a process gas system 52, by means of which the process space 20 can be supplied with a process gas 54, which is required for the thermal treatment.
  • the process gas system 52 in turn comprises at least one injection device 56, which is shown schematically in FIGS. 3a and 3b and by means of which a gas, here the process gas 54, can be dispensed onto the material 12.
  • FIG. 1 shows a plurality of injection devices 56, only a few having a reference symbol.
  • the injection device 56 has an inlet 58, through which the process gas 54 can be fed to the injection device, and at least one outlet 60, through which the process gas 54 can be discharged from the injection device 56, the inlet 58 only in FIGS. 3a and 3b is shown.
  • the inlet 58 and the one or more outlets 60 are connected to one another in terms of flow technology through a flow path 62 through which the process gas 54 can flow.
  • the flow path 62 has a heat exchanger 64 with a heat exchanger housing 68 accessible from the outside for an ambient atmosphere, here a process chamber atmosphere 66 prevailing in the process space 20, which heat exchanger housing 68 is referred to below as WT housing 68.
  • a channel arrangement 70 which comprises at least two flow channels 72, is accommodated in the WT housing 68.
  • the process gas 54 on the flow path 62 to the outlet 60 is heated up by the heat exchanger 64 by using the heat of the process space atmosphere 66 and transferring it to the process gas 54.
  • FIG. 3a shows a channel arrangement 70 with two flow channels 72, namely a first flow channel 72.1 and a second flow channel 72.2; an injection device 56 formed in this way is also shown in FIG. 2a.
  • FIG. 3b illustrates a channel arrangement 70 with three flow channels 72, in which a third flow channel 72.3 is also formed; such injection devices 56 are also shown in FIGS. 2b and 2c, which will be discussed again below.
  • FIGS. 2b and 2c For the sake of clarity, the same parts and components are subsequently not always provided with a reference number.
  • the flow channels 72 can be flowed through by the process gas 54 and, in variants not shown, also lead out as pipe elements which are guided separately within the WT housing 68.
  • a deflection region 74 is formed in each case between two flow channels 72 which follow one another in the flow direction, such that process gas 54 with different main flow directions flows through two successive flow channels 72.
  • a deflection area 74.1 is formed between the first flow channel 72.1 and the second flow channel 72.2 and, in the variant according to FIG. 3b, a second deflection area 74.2 is also formed between the second flow channel 72.2 and the third flow channel 72.3.
  • a deflection area 74 is understood to mean any area in which the main flow direction of the process gas 54 is changed.
  • the term main flow direction is intended to express that when considering the flow direction of the process gas 54 through a flow channel 72, turbulence or eddies that can occur in the flow channel 72 are disregarded.
  • a deflection can be effected in particular by abrupt changes in the channel profile through the deflection area 74, for example through a U-shaped channel profile in the deflection area 74.
  • curved ones can also be used Form changes in the channel course a deflection region 74.
  • the injection device 56 also has a nozzle arrangement 76 which comprises a plurality of injection nozzles 76a, by means of which the process gas 54 can be discharged onto the material 12 to be treated.
  • the nozzle arrangement 76 can be integrated into the WT housing 68, as shown in FIG. 3a.
  • the nozzle arrangement 76 can also be a separate unit, as can be seen in FIG. 3b.
  • the individual injection nozzles 76a can be formed by simple outlet openings, which can be designed, for example, as a circular opening, oval opening or slot.
  • the injection nozzles 76a can be movable, so that the outflow direction of the emitted local process gas 54 can be set individually for each injection nozzle 76a. This is not specifically illustrated in the figures. Furthermore, the injection nozzles 76a can be arranged at an angle to the nozzle arrangement 76 with respect to the base 16a and / or the conveying direction 30 in order to dispense the process gas 54 in a directed manner onto the brazier 42 and / or the material 12. All the injection nozzles 76a arranged on the nozzle arrangement 76 can dispense the process gas 54 at different or the same angles.
  • process gas 54 reaches the process location on the material 12, on the other hand, the process gas 54 displaces the resulting exhaust gas 46, in the present case thus water (H2O) or carbon dioxide (CO2), as a result of which the discharge 46 is effectively removed from the exhaust system 48
  • Process room 20 can be suctioned off.
  • process gas 54 Due to the directed delivery of the process gas 54, the gas partial pressure in the immediate vicinity of the material 12 is changed, which in turn has an influence on the process parameters and thereby on the chemical and physical properties of the resulting product. Furthermore, the quality of the product obtained can be increased, thus reducing the production waste. In addition, process gas 54 can be saved. With the help of the directionally discharged process gas 54 from the injection nozzles 76a, it is also possible to influence the temperature in the vicinity of the material 12 to be treated; Both the temperature in the vicinity of the material 12 can be homogenized and a specifically heterogeneous temperature profile can be brought about on the material 12, for example if the path leading through the heat exchanger 64 is intentionally insufficient to heat the process gas 54 to the temperature of the process room atmosphere 66. These effects can be achieved both by a corresponding prior conditioning of the process gas 54 by the process gas system 52 and by a correspondingly coordinated delivery of the process gas 54 by the injection device 56.
  • the injection of the process gas 54 by the injection device 56 can be continuous or pulsed; this is set by a corresponding control and corresponding control means of the process gas system 52.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show injection devices 56 with differently designed or arranged heat exchangers 64, in which the injection nozzles 76a of the nozzle arrangement 76, as in FIG. 1, are each arranged next to the conveyor track 32 along a vertical.
  • the invention also includes an arrangement of the injection nozzles 76a, which includes an angle with the ceiling 16b and / or the vertical side walls 16c, 16d that is not 90 °.
  • FIG. 2a as mentioned above, a variant with the injection device 56 according to FIG. 3a is shown.
  • FIG. 2a shows injection devices 56 with differently designed or arranged heat exchangers 64, in which the injection nozzles 76a of the nozzle arrangement 76, as in FIG. 1, are each arranged next to the conveyor track 32 along a vertical.
  • the invention also includes an arrangement of the injection nozzles 76a, which includes an angle with the ceiling 16b and / or the vertical side walls 16c, 16d that is not 90 °.
  • FIG. 2a as mentioned
  • the heat exchanger 64 runs close to the ceiling 16b of the furnace 10 transversely to the conveying direction 30 in order to use the areas of the process space atmosphere 66 with the greatest possible heat for heating the process gas 54.
  • the nozzle arrangement 76 projects vertically from the heat exchanger 64 guided along the ceiling 16b of the furnace 10.
  • FIG. 2c shows an alternative arrangement of the heat exchanger 64 parallel to the conveying direction 30 in a variant on the vertical side wall 16c.
  • FIGS. 4a, 4b show a first and FIGS. 5a and 5b a second embodiment of the heat exchanger 64 of the injection device 56, in each of which there are two flow channels 72.1 and 72.2 which are connected by the deflection area 72.1.
  • the two flow channels 72.1 and 72.2 and the deflection area 74.1 in the WT housing 68 are formed by a flow guide element 78, which acts as a type of partition 80, so that through an outer casing 82 of the WT housing 68 on the one hand and the flow guide element 78, the channel arrangement 70 with the first flow channel 72.1, the deflection region 74.1 and the second flow channel 72.2 is formed.
  • the distance that the process gas 54 travels within the heat exchanger 64 of the injection device 56 is lengthened in comparison to a direct flow path to the outlets 60.
  • the distance covered by the heat exchanger 64 of the injection device 56, compared with heat exchangers 64 without one or more deflection regions 74 or one or more guide bulkheads 80 is at least twice as long. This is to ensure that the process gas 54 covers the longest possible path within the heat exchanger 64 in order to maximize the entry of thermal energy to be absorbed until the outlet 60 is reached.
  • a plurality of separating partitions 80 can be arranged alternately to one another transversely to the longitudinal direction, for example in a zigzag arrangement or on opposite longitudinal sides of the outer casing shell 82 of the heat exchanger 64.
  • the invention also includes heat exchangers 64, in which the distance of the process gas 54 to be covered within the heat exchanger 64 is not at least twice as long as without one or more guide bulkheads 80.
  • a plurality of guide baffles 80 are arranged in such a way that a turbulent flow through the heat exchanger 64 composed of a plurality of main vortices of the process gas flow results.
  • FIGS. 4a to 5b there is an inlet 84 and an output 86 of the heat exchanger 64 at a common connection end 88 of the heat exchanger 64.
  • the inflow direction of the process gas 54 is into the heat exchanger 64 parallel but opposite to its outflow direction from the heat exchanger 64.
  • the output 86 of the heat exchanger 64 is formed at the connection end so that the process gas 54 in one Direction flows perpendicular to the inflow direction from the heat exchanger 64.
  • the WT housing 68 is designed as an elongated prism with the cross section of an equilateral triangle.
  • the three flow channels 72.1, 72.2, 72.3 and the two deflection areas 74.1, 74.2 are formed with the aid of three elongated separating partitions 80.1, 80.2 and 80.3, which are arranged in a star shape in cross section with a common contact line at an angle of 120 ° to one another.
  • two of the partitions namely the partitions 80.1, 80.2, the partitions 80.2, 80.3 and the partitions 80.3, 80.1, and the outer casing 82 of the WT housing 68 form the flow channels 72.1, 72.2 and 72.3.
  • each flow channel 72.1, 72.2, 72.3 lies in a plane which is offset from a reference plane Es, which is defined by the two other flow channels 72.2 and 72.3, 72.1 and 72.3 or 72.1 and 72.2. This is explained further below in connection with FIGS. 8a, 8b and 8c with reference to FIG. 8a.
  • the inlet 84 and the outlet 86 of the heat exchanger 64 are arranged at opposite ends of the HE housing 68, so that an inlet end 90 and an outlet end 92 of the heat exchanger 64 are formed there.
  • FIGS. 7a and 7b In the exemplary embodiment of the heat exchanger 64 shown in FIGS. 7a and 7b, four flow channels 72.1, 72.2, 72.3 and 72.4 and three deflection regions 74 are formed by four separating partitions 80.1, 80.2, 80.3 and 80.4, with only the second and third deflection regions 74.2 and 74.3 being closed are recognizable.
  • the WT housing In the third deflection area 74.3, the WT housing is shown in a clear view.
  • the WT housing 68 is designed, for example, as an elongated tube with a circular cross section. In this configuration of four flow channels 72, the input 84 and the output 86 of the heat exchanger 64 are again arranged at a common connection end 88.
  • the channel arrangement 70 comprises one or more further flow channels 72 and in each case a deflection region 74 in front of each flow channel 72, such that the process gas 64 with different main flow directions flows through two successive flow channels 72.
  • All of the exemplary embodiments of the heat exchanger 64 with at least three flow channels 72 have in common that at least the three flow channels 72 specify a meandering flow course 94.
  • This meandering flow course 94 can extend over one or more mutually parallel planes.
  • FIGS. 8a to 8c show variants of the heat exchanger 64 in which the WT housing is designed as an elongated tube with a circular cross section, as in the exemplary embodiment according to FIG. 7, but in which three flow channels 72.1, 72.2 and 72.3 to each other again are arranged offset, as is the case with the exemplary embodiment according to FIG. 6.
  • the cross sections of the flow channels 72.1, 72.2, 72.3 shown in FIG. 8a have a circular sector shape defined by the separating partitions 80.1, 80.2, which are planar in this exemplary embodiment, and the outer casing 82 of the WT housing 68.
  • This in cross-section circular sector-shaped flow channels 72.1, 72.2 and 72.3 are arranged starting from the flow channel 72.1 rotated by the same angular amount of 120 ° around the center point M of the circular cross section of the WT housing 68.
  • a modified embodiment of the heat exchanger 64 is shown in cross section.
  • the cross sections of the flow channels 72.1, 72.2, 72.3 here have rounded corners 97 and different cross-sectional areas.
  • FIG. 8c illustrates core structures 98 formed in the flow channels 72.1, 72.2, 73.3, which are provided by core body 100 in this exemplary embodiment.
  • core structures 98 By means of these core structures 98, the surface of the heat exchanger 64 which is involved in the temperature transfer and with which the process gas 54 through which flow can flow through in thermal interaction is, based on the heat exchanger 64 without core structures 98 enlarged.
  • the flow channel cross section that can be flowed through by the process gas 54 is reduced in relation to this, as a result of which the process gas 54 can flow through the heat exchanger 64 at a higher flow rate and the volume fraction of the process gas 54 that comes into direct contact with the temperature transfer surface is increased .
  • a higher flow rate also increases the efficiency of the temperature transfer.
  • FIGS. 9a and 9b now show an exemplary embodiment in which the nozzle arrangement 76 is encompassed by the heat exchanger 64.
  • the injection nozzles 76a of the nozzle arrangement 76 are integrated into the outer casing 82 of the WT housing 68.
  • the third flow channel 72.3 here opens into a distributor channel 102, via which the process gas reaches the injection nozzles 76.
  • the injection nozzles 76 can be through openings in the WT housing 68.
  • the distribution channel 102 can also act as part of the heat exchanger 64 and in this case, in addition to its function as a distribution channel, define a fourth flow channel 72.4 of the heat exchanger 64, to which the process gas 54 flows via an upstream third deflection area 74.4.
  • the WT housing 68 in the embodiment shown in FIGS. 10a and 10b has housing caps 104 which can be attached to its opposite end faces. These can provide part of the channel arrangement 70 and the WT housing 68.
  • the housing caps 104 provide the deflection regions 74 here and can furthermore have one or more inlets 58 and / or one or more outlets 60.
  • the heat exchanger 64 can thus be manufactured in individual parts and can only be completed by fitting the housing caps 104 during assembly.
  • the channel arrangement 70 is formed in the WT housing 68 by inserting a separate flow guide structure into the WT housing 68 and fastening it there.
  • the flow guide structure can be detachably fastened so that it can be exchanged for another flow guide structure if necessary, for example if it turns out that the channel arrangement formed by the flow guide structure used is not sufficient to bring the process gas 54 to the temperature of the process space atmosphere 66 to heat up ..
  • housing caps 104 or an insertable and optionally interchangeable flow guide structure can be implemented in all the exemplary embodiments explained above.
  • the heat exchanger housing 68, the separating partitions 80.1, 80.2, 80.3, the core structures 98 and / or the housing caps 104 are made of one or more materials which have a specific thermal conductivity of l> 50 Wm 1 K 1 , l> 75 Wm ⁇ K 1 or l> 100 Wm ⁇ K 1 .
  • materials with a metal component for example elemental metals, metal alloys, metal oxides, metal nitrides or metal carbides, can be used for this.
  • metals to be mentioned are copper (Cu), tin (Sb), zinc (Zn), silver (Ag), magnesium (Mg), nickel (Ni), beryllium (Be), aluminum (AI), potassium (Ka) , Molybdenum (Mo), tungsten (W), sodium (Na), iron (Fe), silicon (Si) and tantalum (Ta).

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Abstract

Injection device (56) for discharging a gas (54), in particular a process gas (54), onto a material (12), in particular onto a battery cathode material (14) that is to be calcined, having at least one inlet (58) through which the gas (54) can be supplied to the injection device (56), and at least one outlet (60) through which the gas (54) can be discharged from the injection device (56), the inlet and outlet being connected to one another by a flow path (62) for the gas (54). According to the invention, the flow path (62) has a heat exchanger (64) with a heat exchanger housing (68) which is accessible from the outside for an ambient atmosphere (66) and in which a duct arrangement (70) is integrated. The duct arrangement (70) comprises a first flow duct (72.1) and a second flow duct (72.2) between which there is formed a redirection region (74.1) such that the gas (54) can flow through the first and second flow duct (72.1, 72.2) in different main flow directions. The invention further relates to a process gas system (52) for supplying a gas (54) and to a device (10) and a method for the thermal or thermo-chemical treatment of material.

Description

Injektionseinrichtung zum Abgeben eines Gases, Prozessgassystem zum Injection device for dispensing a gas, process gas system for
Zuführen eines Prozessgases, sowie Vorrichtung und Verfahren zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln von Material Supply of a process gas, and device and method for the thermal or thermo-chemical treatment of material
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung 1. Field of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Injektionseinrichtung zum Abgeben eines Gases, ein Prozess gassystem zum Zuführen eines Prozessgases und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln, insbesondere zum Kalzinieren, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial. The invention relates to an injection device for dispensing a gas, a process gas system for supplying a process gas and an apparatus and a method for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcining, of material, in particular battery cathode material.
2. Beschreibung des Standes der Technik Mit Hilfe von derartigen Vorrichtungen und mit einem solchen Verfahren erfolgt beispiels weise bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien in einem Ofen eine Kalzinierung ei nes pulverförmigen Kathodenmaterials in einer speziellen Atmosphäre, insbesondere in ei ner inerten oder sauerstoffhaltigen Atmosphäre. 2. Description of the prior art With the aid of such devices and with such a method, for example, in the manufacture of lithium-ion batteries in a furnace, a powdery cathode material is calcined in a special atmosphere, in particular in an inert or oxygen-containing one The atmosphere.
Bei einem pulverförmigen Kathodenmaterial handelt es sich zum Beispiel um einen lithi- umhaltigen Übergangsmetall-Präkursor, der in dem Ofen zu einem Lithium-Übergangs- metalloxid kalziniert wird. Bei diesem Vorgang wird abhängig davon, ob Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat-Präkursoren verwendet werden, aus dem lithiumhaltigen Über- gangsmetall-Präkursor Wasser (H2O) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) als Abgas freigesetzt. A powdered cathode material is, for example, a lithium-containing transition metal precursor which is calcined in the furnace to form a lithium transition metal oxide. Depending on whether lithium hydroxide or lithium carbonate precursors are used, this process releases water (H 2 O) or carbon dioxide (CO 2 ) as exhaust gas from the lithium-containing transition metal precursor.
Zur Aufrechterhaltung der sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird dem Prozessraum frisches Prozessgas zugeführt und das entstehende Wasser (H2O) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem Brennraum durch kontinuierliches oder intermittierendes Absaugen der Prozessraum atmosphäre entfernt. Durch das Absaugen entstehen Räume mit geringerem Gaspartial druck, was ebenfalls das kontinuierliche Nachführen von frischem Prozessgas erforderlich macht. Grundsätzlich werden solche Vorrichtungen und Verfahren aber auch für die thermische Behandlung von anderen Materialien verwendet, bei denen es sich beispielsweise auch um Werkstücke handeln kann, die entsprechend unter Einfluss eines Prozessgases thermisch oder thermo-chemisch behandelt werden müssen. Die Temperaturen in solchen Öfen können bis zu 2000°C betragen. Im Weiteren wird die Erfindung am Beispiel der thermischen Behandlung von oben erwähntem Kathodenmate rial erläutert. Die Temperatur bei der Kalzinierung von solchen Materialien hängt in an und für sich bekannter Weise von dem zu behandelnden Material und der Art des verwendeten Ofens ab. Bei vom Markt her bekannten Vorrichtungen und Verfahren zum Kalzinieren von Material vermischt sich das Prozessgas, das in den Prozessraum eingeblasen wird, auf dem Weg zu dem zu behandelnden Material mit der Atmosphäre, die bereits im Prozessraum vorhan den ist. Dieses Mischgas, welches schließlich zu dem Material gelangt, enthält daher einer seits das Prozessgas in einer geringeren Konzentration und andererseits unter anderem bereits in der Prozessraumatmosphäre vorhandenes Abgas. Der Effekt des Prozessgases am zu behandelnden Material kann daher nur wenig zufriedenstellend beeinflusst werden und eine Kontrolle und Steuerung der am Material herrschenden Atmosphäre ist nur ein geschränkt möglich. In order to maintain the oxygen-containing atmosphere, fresh process gas is supplied to the process room and the water (H 2 O) or carbon dioxide (CO 2 ) formed is removed from the combustion chamber by continuous or intermittent suction of the process room atmosphere. Suction creates spaces with a lower gas partial pressure, which also makes it necessary to continuously feed fresh process gas. In principle, however, such devices and methods are also used for the thermal treatment of other materials, which may also be workpieces, for example, which must be thermally or thermo-chemically treated under the influence of a process gas. The temperatures in such ovens can be up to 2000 ° C. The invention is further explained using the example of the thermal treatment of the above-mentioned cathode material. The temperature during the calcination of such materials depends in a manner known per se on the material to be treated and the type of furnace used. In devices and methods known from the market for calcining material, the process gas which is blown into the process space mixes on the way to the material to be treated with the atmosphere which is already present in the process space. This mixed gas, which ultimately reaches the material, therefore contains the process gas in a lower concentration on the one hand and, on the other hand, exhaust gas already present in the process room atmosphere. The effect of the process gas on the material to be treated can therefore only be influenced to a slightly satisfactory degree, and there is only limited control and control of the atmosphere prevailing on the material.
Bei derartigen Behandlungen ist es darüber hinaus erforderlich, das thermische Niveau im Prozessraum des Ofens konstant zu halten. Um dies zu gewährleisten, muss das Prozess gas auf die im Prozessraum herrschende Temperatur entsprechend erwärmt werden. In der Regel geschieht diese Erwärmung des Prozessgases aktiv, d.h. unter Verbrauch von zum Erzeugen der Wärme benötigter Energie, durch Heizeinheiten. Das aktiv aufgeheizte Prozessgas wird dann z.B. durch eine von einem Gebläse erzeugte Gasströmung in Gaslei- tungen, die zum Großteil außerhalb des Ofens, teilweise aber auch in der Ofenwand, ge führt werden, zum Wirkort im, am und in einem Nahbereich um das Batterie-Kathodenma terial geleitet. Um Verlust von Wärmeenergie zu vermeiden, sind kostenintensive und auf wendige Maßnahmen zum Isolieren der außerhalb des Ofens geführten Gasleitung erfor derlich. Die Temperatur des eingespeisten Prozessgases ist aber in der Regel beträchtlich niedriger als die Temperatur der Prozessraumatmosphäre. Das eingespeiste Prozessgas wird vor Er reichen des zu behandelnden Materials häufig nicht ausreichend aufgeheizt bzw. verliert auf dem Weg dorthin Wärmeenergie, so dass unvollständige Reaktionen resultieren kön- nen. Darüber hinaus kann das kühlere Prozessgas Wärme von den Materialträgern oder von anderen Komponenten des Fördersystems aufnehmen, wodurch es zu thermischen Spannungen kommen kann, die zu einem höheren Verschleiß und gegebenenfalls zu ei nem frühzeitigen Versagen von Bauteilen und Komponenten des Ofens führen können. With such treatments, it is also necessary to keep the thermal level in the process space of the furnace constant. To ensure this, the process gas must be heated to the temperature in the process room. As a rule, this heating of the process gas takes place actively, ie using the energy required to generate the heat, by heating units. The actively heated process gas is then, for example, a gas flow generated by a blower in gas lines, which for the most part leads outside the furnace, but partly also in the furnace wall, to the place of action in, on and in a close area around the battery. Cathode material directed. In order to avoid loss of thermal energy, cost-intensive and complex measures for isolating the gas line routed outside the furnace are necessary. However, the temperature of the process gas fed in is generally considerably lower than the temperature of the process room atmosphere. The process gas fed in is often not adequately heated before reaching the material to be treated or loses heat energy on the way there, so that incomplete reactions can result. In addition, the cooler process gas can absorb heat from the material carriers or from other components of the conveyor system, which can lead to thermal stresses, which can lead to higher wear and possibly to premature failure of components and components of the furnace.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Injektionseinrichtung zum Abgeben eines Gases, ein Prozessgassystem zum Zuführen eines Prozessgases und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln anzugeben, die den vor stehend erläuterten Nachteilen aus dem Stand der Technik begegnen und im Prozessraum vorhandene Wärme optimal passiv und energieeffizient auf das Gas/Prozessgas übertra gen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Injektionseinrichtung zum Abgeben ei nes Gases, insbesondere eines Prozessgases, auf ein Material, insbesondere auf ein zu kal zinierendes Batterie-Kathodenmaterial, gelöst, mit a) mindestens einem Einlass, durch welchen der Injektionseinrichtung das Gas zuführbar ist, und mindestens einem Auslass, durch welchen das Gas aus der Injektionseinrich- tung abgebbar ist, die durch einen Strömungsweg für das Gas miteinander verbunden sind; wobei b) der Strömungsweg einen Wärmetauscher mit einem für eine Umgebungsatmosphäre von außen zugänglichen Wärmetauscher-Gehäuse aufweist, in dem eine Kanalanord- nung untergebracht ist; c) die Kanalanordnung einen ersten Strömungskanal und einen zweiten Strömungskanal umfasst, zwischen denen ein Umlenkbereich ausgebildet ist, derart, dass der erste und der zweite Strömungskanal von dem Gas mit unterschiedlichen Hauptströmungsrich tungen durchströmbar sind. Mit Hilfe einer solchen Injektionseinrichtung kann die Wärme einer bereits in einem Pro zessraum befindlichen Prozessraumatmosphäre effektiv zum Aufheizen des Prozessgases genutzt werden, was insgesamt zu einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad führt. Hierzu wird die Injektionseinrichtung so in einem Ofen oder dergleichen angeordnet, dass das Wärmetauscher-Gehäuse von der vorhandenen Prozessraumatmosphäre umströmt wird oder zumindest von der vorhandenen Prozessraumatmosphäre umgeben ist, so dass ein Wärmeübertrag möglich ist. Der Wärmeübertrag von der Ofenatmosphäre bzw. von dem Ofeninnenraum an die Injektionseinrichtung erfolgt nicht nur durch Strömung, sondern auch und gegebenenfalls sogar überwiegend durch Strahlung. Auch wenn es in dem Ofen keine Strömung gibt, wird Wärme übertragen. Das Wärmetauscher-Gehäuse kann also in einer weitgehend strömungsfreien oder sogar ruhenden Prozessraumatmosphäre angeordnet sein. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass das Wärmetauscher-Gehäuse von einer bewegten Prozessraumat mosphäre umströmt wird. The object of the invention is therefore to provide an injection device for dispensing a gas, a process gas system for supplying a process gas and an apparatus and a method for thermal or thermo-chemical treatment, which counter the disadvantages from the prior art explained above and in the process space optimally passively and energy-efficiently transfer existing heat to the gas / process gas. This object is achieved according to the invention by an injection device for dispensing a gas, in particular a process gas, onto a material, in particular onto a battery cathode material to be calcined, with a) at least one inlet, through which the gas can be fed to the injection device, and at least one outlet, through which the gas can be discharged from the injection device, which are connected to one another by a flow path for the gas; wherein b) the flow path has a heat exchanger with a heat exchanger housing which is accessible from the outside for an ambient atmosphere and in which a duct arrangement is accommodated; c) the channel arrangement comprises a first flow channel and a second flow channel, between which a deflection area is formed, such that the first and second flow channels can be flowed through by the gas with different main flow directions. With the help of such an injection device, the heat of a process room atmosphere that is already in a process room can be used effectively to heat up the process gas, which leads overall to an improved overall efficiency. For this purpose, the injection device is arranged in a furnace or the like such that the existing process room atmosphere flows around the heat exchanger housing or at least is surrounded by the existing process room atmosphere, so that heat transfer is possible. The heat transfer from the furnace atmosphere or from the furnace interior to the injection device takes place not only by flow, but also and possibly even predominantly by radiation. Even if there is no flow in the furnace, heat is transferred. The heat exchanger housing can thus be arranged in a largely flow-free or even stationary process room atmosphere. In the following, it is assumed as an example that a moving process space atmosphere flows around the heat exchanger housing.
Je nach Anwendungsbereich kann es zweckmäßig sein, wenn der mindestens eine Einlass und der mindestens eine Auslass hinsichtlich einer Symmetrieachse im Wesentlichen spie gelsymmetrisch oder asymmetrisch zueinander angeordnet sind. Depending on the area of application, it may be expedient if the at least one inlet and the at least one outlet are arranged essentially mirror-symmetrically or asymmetrically with respect to one another with respect to an axis of symmetry.
Außerdem ist es günstig, wenn die Kanalanordnung zusätzlich zum ersten und zum zwei ten Strömungskanal einen dritten Strömungskanal aufweist, wobei zwischen dem dritten und dem zweiten Strömungskanal ein zweiter Umlenkbereich ausgebildet ist, derart, dass der zweite und der dritte Strömungskanal von dem Gas mit unterschiedlichen Hauptströ mungsrichtungen durchströmbar sind. Bevorzugt geben die Strömungskanäle einen Mä ander-Strömungsverlauf innerhalb der Kanalanordnung vor. Ein Mäander-Strömungsverlauf kann bei einem zweidimensionalen S-Strömungsverlauf vorliegen, aber auch dreidimensionale Kanalanordnungen, die beispielsweise einen ge wundenen Strömungsverlauf vorgeben, bei dem die Strömung mindestens zweimal umge lenkt wird und die Umlenkungen in zwei zueinander in einem Winkel stehendenden, ins- besondere zueinander senkrechten, Ebenen erfolgen. In addition, it is advantageous if the channel arrangement has a third flow channel in addition to the first and second flow channels, a second deflection region being formed between the third and second flow channels, such that the second and third flow channels are separated from the gas with different main flows flow directions are flowable. The flow channels preferably specify a meandering flow pattern within the channel arrangement. A meandering flow course can be present in the case of a two-dimensional S flow course, but also three-dimensional channel arrangements which, for example, prescribe a tortuous flow course in which the flow is deflected at least twice and the deflections are in two at an angle to one another, in particular to one another vertical, planes.
Vorteilhaft definieren zu diesem Zweck der erste und der zweite, der erste und der dritte, oder der zweite und der dritte Strömungskanal eine gemeinsame Ebene, wobei der dritte bzw. der zweite oder der erste Strömungskanal bezogen auf diese Ebene versetzt oder in einem Winkel angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung der Strömungskanäle wird das durch die Strömungskanäle strömende Gas einmal innerhalb der definierten Ebene und einmal von der definierten Ebene in eine andere Ebene umgelenkt, also beispielsweise nach links/rechts oder oben/unten. Dabei sind Umlenkungen in einem Winkel von 20° bis 180° zur Hauptströmungsrichtung im jeweiligen Strömungskanal bevorzugt. Eine Umlen kung um 180° beispielsweise bewirkt eine Änderung der Hauptströmungsrichtung in eine zur Hauptströmungsrichtung des vorherigen Strömungskanals entgegengesetzte Rich tung. For this purpose, the first and the second, the first and the third, or the second and the third flow channel advantageously define a common plane, the third or the second or the first flow channel being offset with respect to this plane or being arranged at an angle . With such an arrangement of the flow channels, the gas flowing through the flow channels is redirected once within the defined level and once from the defined level to another level, that is to say for example to the left / right or up / down. Deflections at an angle of 20 ° to 180 ° to the main flow direction in the respective flow channel are preferred. A deflection by 180 °, for example, causes a change in the main flow direction in a direction opposite to the main flow direction of the previous flow channel.
Es ist günstig, wenn die Kanalanordnung zusätzlich zu den drei Strömungskanälen einen oder mehrere weitere Strömungskanäle und jeweils einen Umlenkbereich vor jedem weite ren Strömungskanal umfasst, derart, dass zwei aufeinanderfolgende Strömungskanäle von dem Gas mit unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind. It is expedient if the channel arrangement comprises, in addition to the three flow channels, one or more further flow channels and in each case a deflection area in front of each further flow channel, such that the gas can flow through two successive flow channels with different main flow directions.
Auf diese Weise kann ein zur Verfügung stehender Bauraum, beispielsweise in einem Ge häuse, effizient genutzt werden. Bei ansonsten gleichbleibendem Gehäuse führt die not wendige Reduktion der Strömungsquerschnitte einerseits zu einer Vergrößerung der Kon taktfläche für das Gas und andererseits zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, was in Summe die auf die Gasströmung übertragene Wärmeenergie pro zu rückgelegter Strecke vergrößert. Um die Effizienz der Wärmeübertragung von dem Wärmetauscher auf das ihn durchströ mende Gas weiter zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn in einem oder mehreren Strö mungskanälen eine Kernstruktur ausgebildet ist. Mittels dieser Kernstrukturen ist eine Temperaturüberträgerfläche, mit der das die Strömungskanäle durchströmende Gas in thermischer Wechselwirkung ist, gegenüber der Temperaturüberträgerfläche der Strö mungskanäle ohne Kernstrukturen vergrößert. Die Kernstrukturen können dabei an den Strömungsleitelementen oder an einer Innenfläche des Wärmetauscher-Gehäuses ange ordnet sein. Sie können aber auch derart angeordnet sein, dass sie für das Gas einen Ring raum in den Strömungskanälen ausbilden. Bei einer derartigen Anordnung können die Kernstrukturen vorzugsweise mit den Innenflächen des Wärmetauscher-Gehäuses endsei tig verbunden sein. In this way, an available installation space, for example in a housing, can be used efficiently. With the housing remaining the same, the necessary reduction in the flow cross-sections leads on the one hand to an increase in the contact area for the gas and on the other hand to an increase in the flow velocity of the gas, which in total increases the thermal energy transferred to the gas flow per distance covered. In order to further increase the efficiency of the heat transfer from the heat exchanger to the gas flowing through it, it is advantageous if a core structure is formed in one or more flow channels. By means of these core structures, a temperature transfer surface with which the gas flowing through the flow channels is in thermal interaction is enlarged compared to the temperature transfer surface of the flow channels without core structures. The core structures can be arranged on the flow guide elements or on an inner surface of the heat exchanger housing. But they can also be arranged such that they form an annular space in the flow channels for the gas. In such an arrangement, the core structures can preferably be connected at the end with the inner surfaces of the heat exchanger housing.
Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Kernstrukturen massive Kernkörper sind. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn Kernkörper Durchströmungsöffnungen aufweisen, derart, dass das die Strömungskanäle durchströmende Gas ebenfalls die Durchströmungsöffnun- gen durchströmt und somit nicht nur an Außenflächen der Kernkörper Wärmeenergie auf nehmen kann. It can be advantageous if the core structures are solid core bodies. However, it can also be advantageous if core bodies have throughflow openings in such a way that the gas flowing through the flow channels likewise flows through the throughflow openings and can therefore not only absorb heat energy on outer surfaces of the core bodies.
Bezüglich der Kernkörper ist außerdem vorteilhaft, wenn diese zumindest abschnittsweise in Strömungsrichtung einen Querschnitt aufweisen, der kreisförmig, elliptisch, kreisseg mentförmig, kreissektorförmig, polygonal, insbesondere dreieckig, viereckig, insbesondere trapezförmig, trapezoid oder rechteckig, fünf-, sechs- oder mehreckig ist. Die Kernkörper können bei ansonsten im Wesentlichen gleichbleibendem Volumen der Strömungskanäle zu einer weiteren Vergrößerung der an der Temperaturübertragung beteiligten Tempera turüberträgerfläche Einstülpungen und/oder Ausstülpungen aufweisen. Diese Einstülpun gen und/oder Ausstülpungen können dabei regelmäßig oder unregelmäßig an den Kern- körpern vorhanden sein. With regard to the core body, it is also advantageous if, at least in sections, they have a cross section in the flow direction that is circular, elliptical, segmental, segmental, polygonal, in particular triangular, quadrangular, in particular trapezoidal, trapezoidal or rectangular, pentagonal, hexagonal or polygonal. The core bodies can have indentations and / or protuberances for a further enlargement of the temperature transfer surface involved in the temperature transfer, with the volume of the flow channels remaining essentially the same. These indentations and / or protuberances can be present regularly or irregularly on the core bodies.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Strömungskanäle parallel zueinander verlaufen. Ferner können der Wärmetauscher und/oder einer oder mehrere der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise einen Querschnitt aufweisen, der kreisförmig, elliptisch, kreissegmentförmig, kreissektorförmig, polygonal, insbesondere dreieckig, vier eckig, insbesondere trapezförmig, trapezoid oder rechteckig, fünf-, sechs- oder mehreckig ist. An advantageous embodiment provides that at least two flow channels run parallel to one another. Furthermore, the heat exchanger and / or one or more of the flow channels can have a cross section, at least in sections, which is circular, is elliptical, segment-shaped, sector-shaped, polygonal, in particular triangular, four-sided, in particular trapezoidal, trapezoidal or rectangular, pentagonal, hexagonal or polygonal.
Dabei können eine oder mehrere der Strömungskanäle in der jeweiligen Hauptströmungs- richtung zumindest abschnittsweise sich in Flächenform und/oder in Flächengröße verän dernde Querschnitte aufweisen. In this case, one or more of the flow channels in the respective main flow direction can have cross-sections which change in area shape and / or area size at least in sections.
Damit möglichst viel der vom Wärmetauscher aufgenommenen Wärmeenergie auf das zu erwärmende Gas übertragen werden kann, ist es von Vorteil, wenn das Wärmetauscher- Gehäuse und Wände der darin ausgebildeten Strömungskanäle aus einem oder mehreren besonders wärmeleitfähigen Materialien sind. Vorzugsweise weisen das Material bzw. die Materialien eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von l > 50 Wm 1 K 1, vorzugsweise von l > 75 Wm^K 1 und besonders vorzugsweise von l > 100 Wm^K 1 auf. So that as much of the heat energy absorbed by the heat exchanger as possible can be transferred to the gas to be heated, it is advantageous if the heat exchanger housing and walls of the flow channels formed therein are made of one or more particularly thermally conductive materials. The material or the materials preferably have a specific thermal conductivity of 1> 50 Wm 1 K 1 , preferably 1> 75 Wm 1 K 1 and particularly preferably 1> 100 Wm 1 K 1 .
Besonders geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise Materialien, die einen Metall anteil aufweisen, beispielsweise elementare Metalle, Metalllegierungen, Metalloxide, Me tallnitride oder Metallkarbide. Vorteilhafterweise kann der Metallanteil Kupfer (Cu), Zinn (Sb), Zink (Zn), Silber (Ag), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Beryllium (Be), Aluminium (AI), Ka lium (Ka), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Natrium (Na), Eisen (Fe), Silizium (Si) und Tantal (Ta) aufweisen. Besonders Siliziumkarbid (SiC) und Kupferlegierungen aufweisende Wär metauscher eignen sich aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit für die erfindungsge- mäße Injektionseinrichtung. Insbesondere bei Temperaturen über 400°C weist der Wärme tauscher vorwiegend metallkeramische Materialien auf. In jedem Fall werden Materialien verwendet, bei denen es bei den vorliegenden Temperaturen nicht zu einer Freisetzung von Metall oder Metallverbindungen kommt, die das zu kalzinierende Material kontami nieren können. Daneben kann es des Weiteren vorteilhaft sein, wenn die Kanalanordnung zumindest teil weise durch eine Strömungsleitstruktur ausbildbar ist, welche in das Wärmetauscher-Ge häuse einsetzbar und darin lösbar befestigbar ist. Eine Strömungsleitstruktur kann hierbei beispielsweise durch Verbinden von Strömungsleitelementen ausgebildet werden. Ein Vor teil dieser konstruktiven Ausgestaltung ist, dass das Wärmetauscher-Gehäuse beispiels weise als Hohlkörper bereitgestellt werden kann und die Strömungsleitstruktur zum Aus bilden der Kanalanordnung in dieses vor Montage der Injektionseinrichtung eingesetzt werden kann. Eine lösbare Befestigung der Strömungsleitstruktur ermöglicht einem An wender, die vom Gas innerhalb des Wärmetauschers zurückzulegende Strecke an die Er fordernisse des jeweiligen Produktionsschritts anzupassen. Particularly suitable materials for this are, for example, materials which have a metal content, for example elemental metals, metal alloys, metal oxides, metal nitrides or metal carbides. The metal content can advantageously be copper (Cu), tin (Sb), zinc (Zn), silver (Ag), magnesium (Mg), nickel (Ni), beryllium (Be), aluminum (Al), potassium (Ka), Molybdenum (Mo), tungsten (W), sodium (Na), iron (Fe), silicon (Si) and tantalum (Ta). Heat exchangers comprising silicon carbide (SiC) and copper alloys are particularly suitable for the injection device according to the invention due to their high thermal conductivity. Especially at temperatures above 400 ° C, the heat exchanger mainly uses metal-ceramic materials. In any case, materials are used which do not release metal or metal compounds at the present temperatures, which can contaminate the material to be calcined. In addition, it can furthermore be advantageous if the channel arrangement can at least partially be formed by a flow guide structure which can be inserted into the heat exchanger housing and can be detachably fastened therein. A flow control structure can be used here can be formed, for example, by connecting flow guide elements. A part of this constructive embodiment is that the heat exchanger housing can be provided as a hollow body, for example, and the flow guide structure can be used to form the channel arrangement in this prior to assembly of the injection device. A detachable fastening of the flow guide structure enables a user to adapt the distance to be covered by the gas within the heat exchanger to the requirements of the respective production step.
Es ist günstig, wenn das Wärmetauscher-Gehäuse Gehäusekappen umfasst, die insbeson dere einen Teil der Kanalanordnung bereitstellen. In diesem Fall kann ein Teil des Wärme- tauschers und der Kanalanordnung einstückig, beispielsweise als Strangpressprofil oder Walzprofil, ausgebildet sein. Durch die Gehäusekappen wird dann der Wärmetauscher ver vollständigt. Alternativ kann auch eine separate Strömungsleitstruktur in das Wärmetau scher-Gehäuse bei abgenommenen Gehäusekappen eingesetzt werden, die dann ange bracht werden. Dabei ist es günstig, wenn die Gehäusekappen die Umlenkbereiche definieren. It is advantageous if the heat exchanger housing comprises housing caps, which in particular provide part of the channel arrangement. In this case, part of the heat exchanger and the channel arrangement can be formed in one piece, for example as an extruded profile or a rolled profile. The heat exchanger is then completed by the housing caps. Alternatively, a separate flow guide structure can also be used in the heat exchanger shear housing with the housing caps removed, which are then introduced. It is advantageous if the housing caps define the deflection areas.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Injektionseinrichtung eine Dü senanordnung mit einer oder mehreren Injektionsdüsen, mittels welcher das Gas auf das zu behandelnde Material gerichtet abgebbar ist. In a particularly preferred embodiment, the injection device comprises a nozzle arrangement with one or more injection nozzles, by means of which the gas can be delivered in a directed manner to the material to be treated.
Die Düsenanordnung kann dabei ein vom Wärmetauscher unabhängiges Bauteil sein, kann aber auch von dem Wärmetauscher umfasst sein. The nozzle arrangement can be a component independent of the heat exchanger, but can also be comprised by the heat exchanger.
Bei einem erfindungsgemäßen Prozessgassystem zum Zuführen eines Prozessgases, insbe sondere eines Prozessgases für eine thermische oder thermo-chemische Behandlung, ins besondere eine Kalzinierung, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial, in einen Prozessraum, wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Prozess- gassystem wenigstens eine erfindungsgemäße Injektionseinrichtung verwendet, die zu mindest einige der oben zur Injektionseinrichtung erläuterten Merkmale umfasst. Bei einer Vorrichtung zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln, insbesondere zum Kalzinieren, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial, mit a) einem Gehäuse; b) einem in dem Gehäuse befindlichen Prozessraum; c) einem Fördersystem, mittels welchem das Material oder mit dem Material beladene Tragstrukturen in einer Förderrichtung in oder durch den Prozessraum förderbar sind; d) einem Heizsystem, mittels welchem eine in dem Prozessraum herrschende Prozess raumatmosphäre aufheizbar ist, und e) einem Prozessgassystem, mittels welchem dem Prozessraum ein Prozessgas zuführbar ist, welches für die thermische oder thermo-chemische Behandlung des Materials er forderlich ist, wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass f) das Prozessgassystem ein solches Prozessgassystem ist und das Prozessgas mittels der Injektionseinrichtung gezielt auf das Material oder auf die mit Material beladenen Tragstrukturen abgebbar ist; g) die Injektionseinrichtung derart angeordnet ist, dass der Wärmetauscher von der Pro zessraumatmosphäre umströmbar und/oder bestrahlbar ist, so dass das Prozessgas passiv aufheizbar ist. In a process gas system according to the invention for supplying a process gas, in particular a process gas for a thermal or thermochemical treatment, in particular a calcination, of material, in particular battery cathode material, into a process space, the above-mentioned object is achieved in that the Process gas system uses at least one injection device according to the invention, which comprises at least some of the features explained above for the injection device. In a device for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcining, of material, in particular battery cathode material, with a) a housing; b) a process space located in the housing; c) a conveyor system by means of which the material or support structures loaded with the material can be conveyed in a conveying direction in or through the process space; d) a heating system, by means of which a process room atmosphere prevailing in the process space can be heated, and e) a process gas system, by means of which a process gas can be supplied to the process space, which is required for the thermal or thermo-chemical treatment of the material, the above said object is achieved in that f) the process gas system is such a process gas system and the process gas can be dispensed in a targeted manner onto the material or onto the supporting structures loaded with material by means of the injection device; g) the injection device is arranged in such a way that the process atmosphere can flow around and / or irradiate the heat exchanger, so that the process gas can be passively heated.
Bei einem Verfahren zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln, insbesondere zum Kalzinieren, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial, bei welchem a) das Material oder die mit dem Material beladenen Tragstrukturen durch einen Pro zessraum einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung des Materials gefördert wer den; b) eine in dem Prozessraum herrschende Prozessraumatmosphäre aufgeheizt wird, und c) dem Prozessraum ein Prozessgas zugeführt wird, welches für die thermische oder thermo-chemische Behandlung erforderlich ist, wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass d) das Prozessgas mit Hilfe eines Wärmetauschers aufgeheizt wird, der in dem Prozess- raum angeordnet ist. In a method for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcining, material, in particular battery cathode material, in which a) the material or the supporting structures loaded with the material are conveyed through a process space of a device for thermal treatment of the material the; b) a process room atmosphere prevailing in the process room is heated, and c) a process gas which is required for the thermal or thermo-chemical treatment is supplied to the process space, the above object is achieved in that d) the process gas is heated with the aid of a heat exchanger which is arranged in the process space.
Vorzugsweise kann das Prozessgas dem Prozessraum mit einer Temperatur zugeführt wer den, die im Wesentlichen der Temperatur der Prozessraumatmosphäre entspricht. The process gas can preferably be supplied to the process space at a temperature which essentially corresponds to the temperature of the process space atmosphere.
Ferner ist es bei dem Verfahren bevorzugt, die oben genannte Vorrichtung zum thermi schen oder thermo-chemischen Behandeln von Material zu verwenden. Furthermore, it is preferred in the method to use the above-mentioned device for thermal or thermo-chemical treatment of material.
KURZE BESCHREI BUNG DER ZEICHN UNGEN Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. In these show:
Figur 1 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zum thermischen oder thermo chemischen Behandeln von Material mit einem Prozessgassystem, mittels welchem ein Prozessgas durch Injektionseinrichtungen in ei nen Prozessraum geführt wird; 1 shows a longitudinal section of a device for the thermal or thermochemical treatment of material with a process gas system, by means of which a process gas is guided through injection devices into a process space;
Figuren 2a bis 2c Querschnitte der Vorrichtung gemäß Figur 1 mit jeweils einem Aus führungsbeispiel einer Injektionseinrichtung, bei denen ein Wärme tauscher in dem Prozessraum angeordnet ist; Figures 2a to 2c cross sections of the device of Figure 1, each with an exemplary embodiment from an injection device, in which a heat exchanger is arranged in the process space;
Figuren 3a und 3b die Injektionseinrichtungen der Figuren 2a und 2b mit jeweils einem Figures 3a and 3b, the injection devices of Figures 2a and 2b, each with one
Teilschnitt des Wärmetauschers; Partial section of the heat exchanger;
Figuren 4a und 4b eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers; Figuren 5a und 5b eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels ei nes erfindungsgemäßen Wärmetauschers; Figures 4a and 4b is a perspective view of a first embodiment of the heat exchanger according to the invention; Figures 5a and 5b is a perspective view of a second embodiment of a heat exchanger according to the invention;
Figuren 6a und 6b eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Figures 6a and 6b is a perspective view of a third embodiment of the
Wärmetauschers; Figuren 7a und 7b eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des Heat exchanger; Figures 7a and 7b is a perspective view of a fourth embodiment of the
Wärmetauschers; Heat exchanger;
Figuren 8a bis 8c Querschnitte von drei weiteren Ausführungsbeispielen des Wärme tauschers; Figures 8a to 8c cross sections of three further embodiments of the heat exchanger;
Figuren 9a und 9b eine perspektivische Ansicht eines achten Ausführungsbeispiels des Figures 9a and 9b is a perspective view of an eighth embodiment of the
Wärmetauschers; Heat exchanger;
Figuren 10a und 10b eine perspektivische Ansicht eines neunten Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers. Figures 10a and 10b is a perspective view of a ninth embodiment of the heat exchanger.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 2c Bezug genommen. In diesen bezeichnet 10 eine Vorrichtung zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung von Material 12. Nach- folgend wird diese Vorrichtung 10 der Einfachheit halber als Ofen 10 bezeichnet. In den Figuren 2a bis 2c sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Bauteile und Kompo nenten, die bereits in Figur 1 gekennzeichnet sind, erneut mit einem Bezugszeichen verse hen. First of all, reference is made to FIGS. 1 to 2c. In these, 10 denotes a device for the thermal or thermo-chemical treatment of material 12. In the following, this device 10 is referred to as furnace 10 for the sake of simplicity. In FIGS. 2a to 2c, for reasons of clarity, not all components and components that are already identified in FIG. 1 are provided with a reference number again.
Bei dem Material 12 kann es sich beispielsweise um eingangs erläutertes Batterie-Katho- denmaterial 14 handeln, welches bei der Herstellung von Batterien durch eine thermische Behandlung in dem Ofen 10 kalziniert werden muss. The material 12 can be, for example, battery cathode material 14, which has to be calcined in the manufacture of batteries by a thermal treatment in the furnace 10.
Der Ofen 10 umfasst ein Gehäuse 16 mit einem Boden 16a, einer Decke 16b und zwei ver tikalen Seitenwänden 16c und 16d, welches einen Innenraum 18 begrenzt, in dem sich ein Prozessraum 20 befindet. Das Gehäuse 16 bildet somit das Gehäuse des Prozessraumes 20. Gegebenenfalls kann der Innenraum 18 des Ofens 10 durch ein gesondertes, das Ge häuse 16 umgebendes Gehäuse definiert sein. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der Prozessraum 20 zwischen einem Eingang 22 und einem Ausgang 24 des Gehäuses 16, die jeweils mit einem Tor 26 verschließbar sind. Alternativ kann auch ein offener Eingang 22 und ein offener Ausgang 24 oder aber im Gegensatz dazu jeweils eine gasdichte Dop peltorschleuse vorhanden sein, mit der eine Trennung der Atmosphäre im Ofen von der Umgebungsatmosphäre sichergestellt ist. The furnace 10 comprises a housing 16 with a bottom 16a, a ceiling 16b and two vertical side walls 16c and 16d, which delimits an interior 18 in which a process space 20 is located. The housing 16 thus forms the housing of the process space 20. If necessary, the interior 18 of the furnace 10 can be defined by a separate housing 16 surrounding the housing Ge. As can be seen in FIG. 1, the process space 20 extends between an inlet 22 and an outlet 24 of the housing 16, which can each be closed with a gate 26. Alternatively, an open inlet 22 and an open outlet 24 or, in contrast, a gas-tight double peltor lock can also be present, with which a separation of the atmosphere in the furnace from the ambient atmosphere is ensured.
Das Material 12 wird mit Hilfe eines Fördersystems 28 in einer Förderrichtung 30 durch den Prozessraum 20 gefördert; die Förderrichtung 30 ist nur in Figur 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ofen 10 als Durchlaufofen und konkret als Durchstoßofen konzipiert, bei dem das Fördersystem 28 das Material 12 durch den Ofen 10 hindurch fördert. Hierfür umfasst das Fördersystem 28 eine Förderbahn 32, entlang welcher mehrere Auflageböden 34, sogenannte Trays, geschoben werden, wie es an und für sich bekannt ist. In Figur 1 ist nur ein Auflageboden mit einem Bezugszei- chen versehen. The material 12 is conveyed through the process space 20 in a conveying direction 30 with the aid of a conveying system 28; the conveying direction 30 is indicated by an arrow only in FIG. 1. In the present exemplary embodiment, the furnace 10 is designed as a continuous furnace and specifically as a push-through furnace in which the conveyor system 28 conveys the material 12 through the furnace 10. For this purpose, the conveyor system 28 comprises a conveyor track 32, along which several support trays 34, so-called trays, are pushed, as is known per se. In FIG. 1, only one support base is provided with a reference symbol.
Das Fördersystem 28 umfasst eine Schubeinrichtung 36 mit einem angetriebenen Schub stempel 38, welcher einen Auflageboden 34 von außen durch den Eingang 22 in den Pro zessraum 20 hinein schiebt. Dieser Auflageboden 34 stößt dabei gegen den in Förderrich tung 30 ersten Auflageboden 34 an, der sich bereits im Prozessraum 20 befindet, wodurch alle im Prozessraum 20 befindlichen Auflageböden 34 um einen Platz weitergeschoben werden und der in Förderrichtung 30 letzte Auflageboden 34 durch den Ausgang 24 aus dem Prozessraum 20 heraus geschoben wird. The conveyor system 28 comprises a thrust device 36 with a driven thrust punch 38, which pushes a support base 34 from the outside through the entrance 22 into the process space 20 into it. This shelf 34 abuts against the first shelf 34 in the conveying direction 30, which is already in the process space 20, whereby all the shelves 34 located in the process space 20 are pushed one place further and the last shelf 34 in the conveying direction 30 through the outlet 24 the process space 20 is pushed out.
Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen sind auch andere, an und für sich bekannte Konzepte für Durchlauföfen möglich. Lediglich beispielhaft erwähnt seien an dieser Stelle Rollenöfen, Förderbandöfen, Kettendurchlauföfen, Durchfahröfen und dergleichen. Alter nativ kann der Ofen 10 auch als Batchofen ausgebildet sein, welcher nur einen Zugang aufweist, durch welchen das Material 12 in den Prozessraum 20 hinein und auch wieder aus diesem heraus gefördert werden kann. In diesem Fall werden einzelne Chargen des Materials 12 in den Prozessraum 20 durch diesen Zugang in Förderrichtung 30 hinein ge fördert, thermisch behandelt, hiernach wieder in zur Förderrichtung 30 entgegengesetzter Richtung durch den Zugang aus dem Prozessraum 20 entfernt und auf diese Weise insge samt durch den Prozessraum 20 gefördert. Das Material 12 kann abhängig von seiner Beschaffenheit als solches mit Hilfe des Förder systems 28 gefördert werden und dabei zum Beispiel direkt auf den Auflageböden 34 ab gelegt werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn es sich bei dem Material 12 um strukturelle Werkstücke handelt. In the case of modifications that are not specifically shown, other concepts known per se for continuous furnaces are also possible. Roller ovens, conveyor belt ovens, chain continuous ovens, drive-through ovens and the like may be mentioned here only by way of example. Alternatively, the furnace 10 can also be designed as a batch furnace, which has only one access through which the material 12 can be conveyed into and out of the process space 20. In this case, individual batches of the Materials 12 in the process space 20 through this access in the conveying direction 30 into ge, thermally treated, then removed again in the opposite direction to the conveying direction 30 through the access from the process space 20 and thus promoted overall through the process space 20. The material 12 can be promoted depending on its nature as such with the aid of the conveyor system 28 and, for example, be placed directly on the shelves 34 from. This is possible, for example, if the material 12 is a structural work piece.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mit dem Material 12 beladene Tragstrukturen 40 vorgesehen, die im Falle des Batterie-Kathodenmaterials 14 als Brennschalen 42 ausge bildet sind, die in englischer Terminologie als sogenannte Saggar bezeichnet werden.In the present exemplary embodiment, support structures 40 loaded with the material 12 are provided, which in the case of the battery cathode material 14 are formed as braziers 42, which in English terminology are referred to as so-called saggar.
Diese Tragstrukturen 40 können in an und für sich bekannter Weise zu einem regalartigen Fördergestell 44 mit mehreren Ebenen aufeinander gesetzt werden, wobei beim vorliegen den Ausführungsbeispiel jeweils drei mit Batterie-Kathodenmaterial 14 beladene Trags- trukturen 40 ein Fördergestell 44 bilden und jeweils ein Auflageboden 34 ein solches För dergestell 44 trägt. Auch zwei oder mehr als drei, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Ebenen pro Fördergestell 44 sind denkbar; die Anzahl der möglichen Ebenen hängt weitgehend von der Bauhöhe des Prozessraumes 20 und der Tragstrukturen 40 ab. Bei ei ner Abwandlung ist das Fördergestell 44 ein separates Bauteil, beispielsweise aus Metall oder Keramik, welches die Tragstrukturen 40 in mehreren Ebenen aufnimmt. These support structures 40 can be placed on top of one another in a manner known per se to form a shelf-like conveyor frame 44 having a plurality of levels, with in the present embodiment three support structures 40 loaded with battery cathode material 14 each forming a conveyor frame 44 and a support base 34 each such För derträger 44 carries. Two or more than three, for example four, five, six or more levels per conveyor frame 44 are also conceivable; the number of possible levels largely depends on the overall height of the process space 20 and the support structures 40. In a modification, the conveyor frame 44 is a separate component, for example made of metal or ceramic, which receives the support structures 40 in several planes.
Der Ofen 10 umfasst ein vom Markt bekanntes und nur schematisch und lediglich in Figur 1 angedeutetes Heizsystem 45, mittels welchem eine in dem Prozessraum 20 herrschende Atmosphäre aufheizbar ist. Die Atmosphäre kann in bekannter Weise mittels Konvektion, elektromagnetischer Wärmestrahlung oder Wärmediffusion aufgeheizt werden. Beispiel- hafte Heizsysteme können daher Heizstrahlelemente, Heizlüftungselemente oder derglei chen umfassen, die an oder in dem Ofenboden 16a, der Ofendecke 16b und/oder einer der vertikalen Seitenwände 16c, 16d und/oder im Prozessraum 20 verteilt angeordnet sein können. Alternativ oder ergänzend kommt ein Umluft-Heizsystem in Betracht, mittels wel chem die Ofenatmosphäre aus dem Prozessraum 20 abgesaugt, mit einer Heizeinheit auf geheizt und wieder in den Prozessraum 20 eingeblasen wird. The furnace 10 comprises a heating system 45 known from the market and only schematically and only indicated in FIG. 1, by means of which an atmosphere prevailing in the process space 20 can be heated. The atmosphere can be heated in a known manner by means of convection, electromagnetic heat radiation or heat diffusion. Exemplary heating systems can therefore include radiant heating elements, heating ventilation elements or the like, which are arranged distributed on or in the furnace floor 16a, the furnace ceiling 16b and / or one of the vertical side walls 16c, 16d and / or in the process space 20 can. As an alternative or in addition, a circulating air heating system can be considered, by means of which the furnace atmosphere is sucked out of the process space 20, heated up with a heating unit and blown back into the process space 20.
Bei der thermischen Behandlung von Materialien 12 kann ein Abgas 46 entstehen, das aus dem Prozessraum 20 abgezogen werden muss. Ein solches Abgas 46 ist in den Figuren 2a bis 2c in gestrichelten Linien angedeutet und mit einem Bezugszeichen versehen. Bei der Kalzinierung von Batterie-Kathodenmaterial 14 entsteht als Abgas 46 beispielsweise Was ser (H2O) oder Kohlenstoffdioxid (CO2). Zudem können Lithium (Li) enthaltende Phasen freigesetzt werden. Um Abgas 46 aus dem Prozessraum 20 entfernen zu können, ist ein in den Figuren 2a, 2b und 2c zu erkennendes Absaugsystem 48 vorhanden, welches Absaugöffnungen 50 im Bo den 16a des Gehäuses 16 umfasst, über welche das Abgas 46 aus dem Prozessraum 20 ab gesaugt werden kann. Hierfür außerdem notwendige und an und für sich bekannte Kom ponenten wie Gebläse, Leitungen, Filter und dergleichen sind der Übersichtlichkeit halber nicht eigens gezeigt. During the thermal treatment of materials 12, an exhaust gas 46 can arise, which must be withdrawn from the process space 20. Such an exhaust gas 46 is indicated in FIGS. 2a to 2c in dashed lines and provided with a reference symbol. In the calcination of battery cathode material 14, for example, water (H2O) or carbon dioxide (CO2) is formed as exhaust gas 46. In addition, phases containing lithium (Li) can be released. In order to be able to remove exhaust gas 46 from the process space 20, there is an extraction system 48 which can be seen in FIGS. 2a, 2b and 2c and which comprises extraction openings 50 in the bottom 16a of the housing 16, via which the exhaust gas 46 is extracted from the process space 20 can be. Components necessary for this and known per se, such as blowers, lines, filters and the like, are not specifically shown for the sake of clarity.
In dem Ofen 10 können Materialien 12 thermisch behandelt werden, bei deren thermi scher Behandlung ein Prozessgas erforderlich ist. Bei dem angesprochenen Batterie-Ka thodenmaterial 14 wird für eine wirkungsvolle Kalzinierung beispielsweise Sauerstoff (O2) benötigt, welcher in Form von konditionierter Luft in den Prozessraum 20 eingeblasen wird. In diesem Fall bildet folglich Luft ein solches Prozessgas. Der darin enthaltene Sauer stoff (O2) wird bei der Bildung des Metalloxids umgesetzt und es entsteht Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Bei anderen Prozessen können andere Prozessgase erforder lich sein. Bei manchen Prozessen wird mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch reiner Sauerstoff benötigt, der Sauerstoffanteil solcher Prozessgase kann 21 % bis 100% betra- gen. Auch kann ein Inertgas, beispielsweise ein Edelgas, als für eine reibungslose thermi sche oder thermo-chemische Behandlung notwendiges Prozessgas verstanden werden. Daher umfasst der Ofen 10 ein Prozessgassystem 52, mittels welchem dem Prozessraum 20 ein Prozessgas 54 zugeführt werden kann, welches für die thermische Behandlung er forderlich ist. In the furnace 10, materials 12 can be thermally treated, in the thermal treatment of which a process gas is required. In the case of the battery cathode material 14 mentioned, oxygen (O2), for example, is required for effective calcination, which is blown into the process space 20 in the form of conditioned air. In this case, air forms such a process gas. The oxygen (O2) contained therein is converted during the formation of the metal oxide and water (H2O) and carbon dioxide (CO2) are produced. Other process gases may be required for other processes. In some processes, oxygen-enriched air or pure oxygen is required; the oxygen content of such process gases can range from 21% to 100%. An inert gas, for example an inert gas, can also be used as the process gas required for smooth thermal or thermochemical treatment be understood. Therefore, the furnace 10 comprises a process gas system 52, by means of which the process space 20 can be supplied with a process gas 54, which is required for the thermal treatment.
Das Prozessgassystem 52 seinerseits umfasst wenigstens eine Injektionseinrichtung 56, welche in den Figuren 3a und 3b schematisch dargestellt ist und mittels welcher ein Gas, hier das Prozessgas 54, auf das Material 12 abgegeben werden kann. Figur 1 zeigt meh rere Injektionseinrichtungen 56, wobei nur einige ein Bezugszeichen tragen. Die Injekti onseinrichtung 56 weist einen Einlass 58 auf, durch welchen der Injektionseinrichtung das Prozessgas 54 zugeführt werden kann, sowie wenigstens einen Auslass 60, durch welchen das Prozessgas 54 aus der Injektionseinrichtung 56 abgegeben werden kann, wobei der Einlass 58 erst in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist. Der Einlass 58 und der oder die Auslässe 60 sind strömungstechnisch durch einen Strömungsweg 62, welcher vom Pro zessgas 54 durchströmt werden kann, miteinander verbunden. The process gas system 52 in turn comprises at least one injection device 56, which is shown schematically in FIGS. 3a and 3b and by means of which a gas, here the process gas 54, can be dispensed onto the material 12. FIG. 1 shows a plurality of injection devices 56, only a few having a reference symbol. The injection device 56 has an inlet 58, through which the process gas 54 can be fed to the injection device, and at least one outlet 60, through which the process gas 54 can be discharged from the injection device 56, the inlet 58 only in FIGS. 3a and 3b is shown. The inlet 58 and the one or more outlets 60 are connected to one another in terms of flow technology through a flow path 62 through which the process gas 54 can flow.
Der Strömungsweg 62 weist einen Wärmetauscher 64 mit einem für eine Umgebungsat- mosphäre, hier eine im Prozessraum 20 herrschende Prozessraumatmosphäre 66, von au ßen zugänglichen Wärmetauscher-Gehäuse 68 auf, welches im Weiteren als WT-Gehäuse 68 bezeichnet wird. In dem WT-Gehäuse 68 ist eine Kanalanordnung 70 untergebracht, welche zumindest zwei Strömungskanäle 72 umfasst. The flow path 62 has a heat exchanger 64 with a heat exchanger housing 68 accessible from the outside for an ambient atmosphere, here a process chamber atmosphere 66 prevailing in the process space 20, which heat exchanger housing 68 is referred to below as WT housing 68. A channel arrangement 70, which comprises at least two flow channels 72, is accommodated in the WT housing 68.
Durch den Wärmetauscher 64 wird das Prozessgas 54 auf dem Strömungsweg 62 zum Auslass 60 aufgeheizt, indem die Wärme der Prozessraumatmosphäre 66 genutzt und auf das Prozessgas 54 übertragen wird. The process gas 54 on the flow path 62 to the outlet 60 is heated up by the heat exchanger 64 by using the heat of the process space atmosphere 66 and transferring it to the process gas 54.
Figur 3a zeigt eine Kanalordnung 70 mit zwei Strömungskanälen 72, nämlich einem ersten Strömungskanal 72.1 und einem zweiten Strömungskanal 72.2; eine auf diese Weise aus gebildete Injektionseinrichtung 56 zeigt auch Figur 2a. Figur 3b veranschaulicht eine Ka- nalanordnung 70 mit drei Strömungskanälen 72, bei der außerdem ein dritter Strömungs kanal 72.3 ausgebildet ist; solche Injektionseinrichtungen 56 zeigen auch die Figuren 2b und 2c, worauf unten nochmals eingegangen wird. Der Übersichtlichkeit halber sind glei che Bauteile und Komponenten fortfolgend nicht immer nochmals eigens mit einem Be zugszeichen versehen. FIG. 3a shows a channel arrangement 70 with two flow channels 72, namely a first flow channel 72.1 and a second flow channel 72.2; an injection device 56 formed in this way is also shown in FIG. 2a. FIG. 3b illustrates a channel arrangement 70 with three flow channels 72, in which a third flow channel 72.3 is also formed; such injection devices 56 are also shown in FIGS. 2b and 2c, which will be discussed again below. For the sake of clarity, the same parts and components are subsequently not always provided with a reference number.
Die Strömungskanäle 72 sind vom Prozessgas 54 durchströmbar und in nicht dargestellten Varianten auch als separat innerhalb des WT-Gehäuses 68 geführte Rohrelemente ausge führt. Bei der Kanalanordnung 70 ist zwischen zwei in Strömungsrichtung aufeinanderfol genden Strömungskanälen 72 ist jeweils ein Umlenkbereich 74 ausgebildet, derart, dass zwei aufeinanderfolgende Strömungskanäle 72 von dem Prozessgas 54 mit unterschiedli chen Hauptströmungsrichtungen durchströmt werden. Konkret ist zwischen dem ersten Strömungskanal 72.1 und dem zweiten Strömungskanal 72.2 ein Umlenkbereich 74.1 und bei der Variante nach Figur 3b außerdem zwischen dem zweiten Strömungskanal 72.2 und dem dritten Strömungskanal 72.3 ein zweiter Umlenkbereich 74.2 ausgebildet. The flow channels 72 can be flowed through by the process gas 54 and, in variants not shown, also lead out as pipe elements which are guided separately within the WT housing 68. In the channel arrangement 70, a deflection region 74 is formed in each case between two flow channels 72 which follow one another in the flow direction, such that process gas 54 with different main flow directions flows through two successive flow channels 72. Specifically, a deflection area 74.1 is formed between the first flow channel 72.1 and the second flow channel 72.2 and, in the variant according to FIG. 3b, a second deflection area 74.2 is also formed between the second flow channel 72.2 and the third flow channel 72.3.
Unter einem Umlenkbereich 74 wird dabei jeder Bereich verstanden, in welchem die Hauptströmungsrichtung des Prozessgases 54 verändert wird. Der Begriff Hauptströ- mungsrichtung soll ausdrücken, dass bei der Betrachtung der Strömungsrichtung des Pro zessgases 54 durch einen Strömungskanal 72 Turbulenzen oder Verwirbelungen, die in dem Strömungskanal 72 auftreten können, außer Acht bleiben. Eine Umlenkung kann ins besondere durch abrupte Änderungen des Kanalverlaufs durch den Umlenkbereich 74 be wirkt werden, beispielsweise durch einen U-förmigen Kanalverlauf im Umlenkbereich 74. Insofern sich die Hauptströmungsrichtung vor dem Umlenkbereich 74 von der Hauptströ mungsrichtung nach dem Umlenkbereich 74 unterscheidet, können auch geschwungene Änderungen des Kanalverlaufs einen Umlenkbereich 74 ausbilden. A deflection area 74 is understood to mean any area in which the main flow direction of the process gas 54 is changed. The term main flow direction is intended to express that when considering the flow direction of the process gas 54 through a flow channel 72, turbulence or eddies that can occur in the flow channel 72 are disregarded. A deflection can be effected in particular by abrupt changes in the channel profile through the deflection area 74, for example through a U-shaped channel profile in the deflection area 74. Insofar as the main flow direction before the deflection area 74 differs from the main flow direction after the deflection area 74, curved ones can also be used Form changes in the channel course a deflection region 74.
Um das Prozessgas 54 auf das Material 12 abgeben zu können, weist die Injektionseinrich tung 56 zudem eine Düsenanordnung 76 auf, die mehrere Injektionsdüsen 76a umfasst, mittels welchen das Prozessgas 54 gerichtet auf das zu behandelnde Material 12 abgege ben werden kann. Die Düsenanordnung 76 kann dabei in das WT-Gehäuse 68 integriert sein, wie in Figur 3a gezeigt ist. Die Düsenanordnung 76 kann auch eine separate Einheit sein, wie in Figur 3b ersichtlich ist. Die einzelnen Injektionsdüsen 76a können durch einfache Austrittsöffnungen gebildet sein, die beispielsweise als Kreisöffnung, ovale Öffnung oder Schlitz ausgestaltet sein kön nen. Die Injektionsdüsen 76a können beweglich sein, so dass die Ausströmungsrichtung des abgegebenen lokalen Prozessgases 54 für jede Injektionsdüse 76a individuell einge- stellt werden kann. Dies ist in den Figuren nicht eigens veranschaulicht. Ferner können die Injektionsdüsen 76a bezogen auf den Boden 16a und/oder die Förderrichtung 30 gewin kelt an der Düsenanordnung 76 angeordnet sein, um das Prozessgases 54 gerichtet auf die Brennschalen 42 und/oder das Material 12 abzugeben. Dabei können alle an der Dü senanordnung 76 angeordneten Injektionsdüsen 76a das Prozessgas 54 in unterschiedli- chen oder gleichen Winkeln abgeben. In order to be able to dispense the process gas 54 onto the material 12, the injection device 56 also has a nozzle arrangement 76 which comprises a plurality of injection nozzles 76a, by means of which the process gas 54 can be discharged onto the material 12 to be treated. The nozzle arrangement 76 can be integrated into the WT housing 68, as shown in FIG. 3a. The nozzle arrangement 76 can also be a separate unit, as can be seen in FIG. 3b. The individual injection nozzles 76a can be formed by simple outlet openings, which can be designed, for example, as a circular opening, oval opening or slot. The injection nozzles 76a can be movable, so that the outflow direction of the emitted local process gas 54 can be set individually for each injection nozzle 76a. This is not specifically illustrated in the figures. Furthermore, the injection nozzles 76a can be arranged at an angle to the nozzle arrangement 76 with respect to the base 16a and / or the conveying direction 30 in order to dispense the process gas 54 in a directed manner onto the brazier 42 and / or the material 12. All the injection nozzles 76a arranged on the nozzle arrangement 76 can dispense the process gas 54 at different or the same angles.
Durch die Düsenanordnung 76 der Injektionseinrichtung 56 werden alle Brennschalen 42 und das Material 12 im Prozessraum 20 weitgehend homogen mit Prozessgas 54 versorgt und beaufschlagt, so dass die thermische Behandlung des Materials 12 in allen Brennscha len 42 in hohem Maße reproduzierbar und einheitlich abläuft. Einerseits gelangt auf diese Weise Prozessgas 54 zum Prozessort am Material 12, anderer seits wird durch das Prozessgas 54 das entstehende Abgas 46, vorliegend somit Wasser (H2O) oder Kohlenstoffdioxid (CO2), verdrängt, wodurch das Abgabe 46 effektiv durch das Absaugsystem 48 aus dem Prozessraum 20 abgesaugt werden kann. Through the nozzle arrangement 76 of the injection device 56, all braziers 42 and the material 12 in the process space 20 are supplied and acted upon largely homogeneously with process gas 54, so that the thermal treatment of the material 12 in all brazas 42 is highly reproducible and uniform. On the one hand, process gas 54 reaches the process location on the material 12, on the other hand, the process gas 54 displaces the resulting exhaust gas 46, in the present case thus water (H2O) or carbon dioxide (CO2), as a result of which the discharge 46 is effectively removed from the exhaust system 48 Process room 20 can be suctioned off.
Durch die gerichtete Abgabe des Prozessgases 54 wird der Gaspartialdruck in der unmit- telbare Nähe des Materials 12 verändert, was wiederum Einfluss auf die Prozessparameter und hierdurch Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften des entste henden Produkts hat. Ferner kann die Qualität des erhaltenen Produkts erhöht und auf diese Weise der Produktionsausschuss verringert werden. Darüber hinaus kann Prozessgas 54 eingespart werden. Mit Hilfe des gerichtet abgegebenen Prozessgases 54 aus den Injektionsdüsen 76a ist es außerdem möglich, die Temperatur im Umfeld des zu behandelnden Materials 12 zu be einflussen; es kann sowohl die Temperatur im Umfeld des Materials 12 homogenisiert als auch ein gezielt heterogenes Temperaturprofil am Material 12 herbeigeführt werden, z.B. wenn die durch den Wärmetauscher 64 führende Strecke gewollt unzureichend ist, um das Prozessgas 54 auf die Temperatur der Prozessraumatmosphäre 66 aufzuheizen. Diese Wir kungen können sowohl durch eine entsprechende vorherige Konditionierung des Prozess gases 54 durch das Prozessgassystem 52 als auch durch eine entsprechend abgestimmte Abgabe des Prozessgases 54 durch die Injektionseinrichtung 56 bewirkt werden. Due to the directed delivery of the process gas 54, the gas partial pressure in the immediate vicinity of the material 12 is changed, which in turn has an influence on the process parameters and thereby on the chemical and physical properties of the resulting product. Furthermore, the quality of the product obtained can be increased, thus reducing the production waste. In addition, process gas 54 can be saved. With the help of the directionally discharged process gas 54 from the injection nozzles 76a, it is also possible to influence the temperature in the vicinity of the material 12 to be treated; Both the temperature in the vicinity of the material 12 can be homogenized and a specifically heterogeneous temperature profile can be brought about on the material 12, for example if the path leading through the heat exchanger 64 is intentionally insufficient to heat the process gas 54 to the temperature of the process room atmosphere 66. These effects can be achieved both by a corresponding prior conditioning of the process gas 54 by the process gas system 52 and by a correspondingly coordinated delivery of the process gas 54 by the injection device 56.
Die Abgabe des Prozessgases 54 durch die Injektionseinrichtung 56 kann kontinuierlich oder gepulst erfolgen; dies wird durch eine entsprechende Steuerung und entsprechende Steuermittel des Prozessgassystems 52 eingestellt. The injection of the process gas 54 by the injection device 56 can be continuous or pulsed; this is set by a corresponding control and corresponding control means of the process gas system 52.
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen Injektionseinrichtungen 56 mit unterschiedlich ausgebil- deten bzw. angeordneten Wärmetauschern 64, bei denen die Injektionsdüsen 76a der Dü senanordnung 76, wie auch in Figur 1, jeweils neben der Förderbahn 32 entlang einer Ver tikalen angeordnet sind. Von der Erfindung umfasst ist aber auch eine Anordnung der In jektionsdüsen 76a, die mit der Decke 16b und/oder den vertikalen Seitenwänden 16c, 16d einen Winkel einschließt, der nicht 90° beträgt. In Figur 2a ist, wie oben erwähnt, eine Variante mit der Injektionseinrichtung 56 gemäß Fi gur 3a gezeigt. Bei dem in Figur 2b dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Wärme tauscher 64 nahe der Decke 16b des Ofens 10 quer zur Förderrichtung 30, um die Bereiche der Prozessraumatmosphäre 66 mit möglichst großer Hitze zum Aufheizen des Prozessga ses 54 zu nutzen. Die Düsenanordnung 76 ragt dort vertikal von dem an der Decke 16b des Ofens 10 entlang geführten Wärmetauscher 64 herab. Figur 2c zeigt eine alternative Anordnung des Wärmetauschers 64 parallel zur Förderrichtung 30 in einer Variante an der vertikalen Seitenwand 16c. FIGS. 2a, 2b and 2c show injection devices 56 with differently designed or arranged heat exchangers 64, in which the injection nozzles 76a of the nozzle arrangement 76, as in FIG. 1, are each arranged next to the conveyor track 32 along a vertical. However, the invention also includes an arrangement of the injection nozzles 76a, which includes an angle with the ceiling 16b and / or the vertical side walls 16c, 16d that is not 90 °. In FIG. 2a, as mentioned above, a variant with the injection device 56 according to FIG. 3a is shown. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2b, the heat exchanger 64 runs close to the ceiling 16b of the furnace 10 transversely to the conveying direction 30 in order to use the areas of the process space atmosphere 66 with the greatest possible heat for heating the process gas 54. The nozzle arrangement 76 projects vertically from the heat exchanger 64 guided along the ceiling 16b of the furnace 10. FIG. 2c shows an alternative arrangement of the heat exchanger 64 parallel to the conveying direction 30 in a variant on the vertical side wall 16c.
Die Figuren 4a, 4b zeigen ein erstes und die Figuren 5a und 5b ein zweites Ausführungs beispiel des Wärmetauschers 64 der Injektionseinrichtung 56, bei denen jeweils zwei Strö- mungskanäle 72.1 und 72.2 vorhanden sind, die durch den Umlenkbereich 72.1 verbunden sind. Die beiden Strömungskanäle 72.1 und 72.2 und der Umlenkbereich 74.1 in dem WT- Gehäuse 68 sind dabei durch ein Strömungsleitelement 78 ausgebildet, das als eine Art Trennschott 80 wirkt, so dass durch einen Gehäuseaußenmantel 82 des WT-Gehäuses 68 einerseits und das Strömungsleitelement 78 die Kanalanordnung 70 mit dem ersten Strö mungskanal 72.1, dem Umlenkbereich 74.1 und dem zweiten Strömungskanal 72.2 gebil det ist. FIGS. 4a, 4b show a first and FIGS. 5a and 5b a second embodiment of the heat exchanger 64 of the injection device 56, in each of which there are two flow channels 72.1 and 72.2 which are connected by the deflection area 72.1. The two flow channels 72.1 and 72.2 and the deflection area 74.1 in the WT housing 68 are formed by a flow guide element 78, which acts as a type of partition 80, so that through an outer casing 82 of the WT housing 68 on the one hand and the flow guide element 78, the channel arrangement 70 with the first flow channel 72.1, the deflection region 74.1 and the second flow channel 72.2 is formed.
Hierdurch ist die Strecke, die das Prozessgas 54 innerhalb des Wärmetauschers 64 der In- jektionseinrichtung 56 zurücklegt, im Vergleich zu einem direkten Strömungsweg zu den Auslässen 60 verlängert. Vorzugsweise und, wie in den Figuren 3a bis 10b dargestellt, ist die indem Wärmetauscher 64 der Injektionseinrichtung 56 zurückgelegte Strecke, vergli chen mit Wärmetauschern 64 ohne einen oder mehrere Umlenkbereiche 74 oder ein oder mehrere Leitschotts 80, mindestens doppelt so lang. Hiermit soll gewährleistet werden, dass das Prozessgas 54 einen möglichst langen Weg innerhalb des Wärmetauschers 64 zurücklegt, um den Eintrag aufzunehmender Wärmeenergie bis zum Erreichen des Auslas ses 60 zu maximieren. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können mehrere Trenn schotts 80 quer zur Längsrichtung, zum Beispiel in einer Zick-Zack-Anordnung oder an ge genüberliegenden Längsseiten des Gehäuseaußenmantels 82 des Wärmetauschers 64 al- ternierend zueinander angeordnet sein. Von der Erfindung umfasst sind aber auch Wär metauscher 64, bei welchen die innerhalb des Wärmetauschers 64 zurückzulegende Stre cke des Prozessgases 54 nicht mindestens doppelt so lang wie ohne ein oder mehrere Leitschotts 80 ist. As a result, the distance that the process gas 54 travels within the heat exchanger 64 of the injection device 56 is lengthened in comparison to a direct flow path to the outlets 60. 3a and 10b, the distance covered by the heat exchanger 64 of the injection device 56, compared with heat exchangers 64 without one or more deflection regions 74 or one or more guide bulkheads 80, is at least twice as long. This is to ensure that the process gas 54 covers the longest possible path within the heat exchanger 64 in order to maximize the entry of thermal energy to be absorbed until the outlet 60 is reached. In the case of modifications which are not specifically shown, a plurality of separating partitions 80 can be arranged alternately to one another transversely to the longitudinal direction, for example in a zigzag arrangement or on opposite longitudinal sides of the outer casing shell 82 of the heat exchanger 64. The invention also includes heat exchangers 64, in which the distance of the process gas 54 to be covered within the heat exchanger 64 is not at least twice as long as without one or more guide bulkheads 80.
In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere Leitschotts 80 derart angeordnet, dass sich eine aus einer Vielzahl von Hauptwirbeln der Prozessgasströmung zusammengesetzte turbulente Strömung durch den Wärmetauscher 64 ergibt. In a further exemplary embodiment, not shown, a plurality of guide baffles 80 are arranged in such a way that a turbulent flow through the heat exchanger 64 composed of a plurality of main vortices of the process gas flow results.
Bei den in den Figuren 4a bis 5b gezeigten Ausführungsbeispielen befinden sich ein Ein gang 84 und ein Ausgang 86 des Wärmetauschers 64 an einem gemeinsamen Anschluss ende 88 des Wärmetauschers 64. Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4a, 4b ist die Einströmrichtung des Prozessgases 54 in den Wärmetauscher 64 parallel aber entge gengesetzt zu seiner Ausströmrichtung aus dem Wärmetauscher 64. In the exemplary embodiments shown in FIGS. 4a to 5b, there is an inlet 84 and an output 86 of the heat exchanger 64 at a common connection end 88 of the heat exchanger 64. In the exemplary embodiment according to FIGS. 4a, 4b, the inflow direction of the process gas 54 is into the heat exchanger 64 parallel but opposite to its outflow direction from the heat exchanger 64.
Das in den Figuren 5a und 5b gezeigte Ausführungsbeispiel ist der Ausgang 86 des Wär metauschers 64 so an dem Anschlussende ausgebildet, dass das Prozessgas 54 in einer Richtung senkrecht zur Einströmrichtung aus dem Wärmetauscher 64 ausströmt. Bei dem in den Figuren 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 64 mit drei Strömungskanälen 72.1, 72.2 und 72.3 sowie zwei Umlenkbereichen 74.1 und 74.2 ist das WT-Gehäuse 68 beispielhaft als langgestrecktes Prisma mit dem Querschnitt eines gleich- seitigen Dreiecks ausgeführt. The embodiment shown in Figures 5a and 5b, the output 86 of the heat exchanger 64 is formed at the connection end so that the process gas 54 in one Direction flows perpendicular to the inflow direction from the heat exchanger 64. In the exemplary embodiment of the heat exchanger 64 shown in FIGS. 6a and 6b with three flow channels 72.1, 72.2 and 72.3 and two deflection areas 74.1 and 74.2, the WT housing 68 is designed as an elongated prism with the cross section of an equilateral triangle.
Die drei Strömungskanäle 72.1, 72.2, 72.3 und die beiden Umlenkbereiche 74.1, 74.2 sind mit Hilfe von drei langgestreckten Trennschotts 80.1, 80.2 und 80.3 ausgebildet, die im Querschnitt sternförmig mit einer gemeinsamen Kontaktlinie in einem Winkel von 120° zu einander angeordnet sind. Auf diese Weise bilden jeweils zwei der Trennschotts, nämlich die Trennschotts 80.1, 80.2, die Trennschotts 80.2, 80.3 und die Trennschotts 80.3, 80.1 so wie jeweils der Gehäuseaußenmantel 82 des WT-Gehäuses 68 die Strömungskanäle 72.1, 72.2 bzw. 72.3 aus. The three flow channels 72.1, 72.2, 72.3 and the two deflection areas 74.1, 74.2 are formed with the aid of three elongated separating partitions 80.1, 80.2 and 80.3, which are arranged in a star shape in cross section with a common contact line at an angle of 120 ° to one another. In this way, two of the partitions, namely the partitions 80.1, 80.2, the partitions 80.2, 80.3 and the partitions 80.3, 80.1, and the outer casing 82 of the WT housing 68 form the flow channels 72.1, 72.2 and 72.3.
Bei dieser Variante liegt jeder Strömungskanal 72.1, 72.2, 72.3 in einer Ebene, die zu einer Bezugsebene Es, die jeweils von den beiden anderen Strömungskanälen 72.2 und 72.3, 72.1 und 72.3 bzw. 72.1 und 72.2 definiert wird, versetzt ist. Dies wird weiter unten noch mals im Zusammenhang mit den Figuren 8a, 8b und 8c anhand von Figur 8a erläutert. In this variant, each flow channel 72.1, 72.2, 72.3 lies in a plane which is offset from a reference plane Es, which is defined by the two other flow channels 72.2 and 72.3, 72.1 and 72.3 or 72.1 and 72.2. This is explained further below in connection with FIGS. 8a, 8b and 8c with reference to FIG. 8a.
Im Fall dieser drei Strömungskanäle 72 sind der Eingang 84 und der Ausgang 86 des Wär metauschers 64 an gegenüberliegenden Enden des WT-Gehäuses 68 angeordnet, so dass dort jeweils ein Eingangssende 90 und ein Ausgangsende 92 des Wärmetauschers 64 aus- gebildet ist. In the case of these three flow channels 72, the inlet 84 and the outlet 86 of the heat exchanger 64 are arranged at opposite ends of the HE housing 68, so that an inlet end 90 and an outlet end 92 of the heat exchanger 64 are formed there.
Bei dem in den Figuren 7a und 7b gezeigten Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 64 sind durch vier Trennschotts 80.1, 80.2, 80.3 und 80.4 vier Strömungskanäle 72.1, 72.2, 72.3 und 72.4 sowie drei Umlenkbereiche 74 ausgebildet, wobei lediglich der zweite und dritte Umlenkbereich 74.2 und 74.3 zu erkennen sind. Beim dritten Umlenkbereich 74.3 ist das WT-Gehäuse in Durchsicht gezeigt. Das WT-Gehäuse 68 ist beispielhaft als langgestrecktes Rohr mit kreisrundem Querschnitt ausgeführt. Bei dieser Ausbildung von vier Strömungskanälen 72 sind der Eingang 84 und der Aus gang 86 des Wärmetauschers 64 wieder an einem gemeinsamen Anschlussende 88 ange ordnet. In the exemplary embodiment of the heat exchanger 64 shown in FIGS. 7a and 7b, four flow channels 72.1, 72.2, 72.3 and 72.4 and three deflection regions 74 are formed by four separating partitions 80.1, 80.2, 80.3 and 80.4, with only the second and third deflection regions 74.2 and 74.3 being closed are recognizable. In the third deflection area 74.3, the WT housing is shown in a clear view. The WT housing 68 is designed, for example, as an elongated tube with a circular cross section. In this configuration of four flow channels 72, the input 84 and the output 86 of the heat exchanger 64 are again arranged at a common connection end 88.
Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen umfasst die Kanalanordnung 70 einen oder mehrere weitere Strömungskanäle 72 und jeweils einen Umlenkbereich 74 vor jedem Strö mungskanal 72, derart, dass zwei aufeinanderfolgende Strömungskanäle 72 von dem Pro zessgas 64 mit unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmt werden. In the case of modifications which are not specifically shown, the channel arrangement 70 comprises one or more further flow channels 72 and in each case a deflection region 74 in front of each flow channel 72, such that the process gas 64 with different main flow directions flows through two successive flow channels 72.
Allen Ausführungsbeispielen des Wärmetauschers 64 mit mindestens drei Strömungskanä len 72 ist gemein, dass zumindest die drei Strömungskanäle 72 einen Mäander-Strö- mungsverlauf 94 vorgeben. Dieser Mäander-Strömungsverlauf 94 kann sich über eine o- der mehrere zueinander parallele Ebenen erstrecken. All of the exemplary embodiments of the heat exchanger 64 with at least three flow channels 72 have in common that at least the three flow channels 72 specify a meandering flow course 94. This meandering flow course 94 can extend over one or more mutually parallel planes.
In den Figuren 8a bis 8c sind Varianten des Wärmetauschers 64 gezeigt, bei denen das WT-Gehäuse wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7 als langgestrecktes Rohr mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist, bei denen jedoch wieder jeweils drei Strömungs- kanäle 72.1, 72.2 und 72.3 zueinander versetzt angeordnet sind, wie es bei dem Ausfüh rungsbeispiel gemäß Figur 6 der Fall ist. FIGS. 8a to 8c show variants of the heat exchanger 64 in which the WT housing is designed as an elongated tube with a circular cross section, as in the exemplary embodiment according to FIG. 7, but in which three flow channels 72.1, 72.2 and 72.3 to each other again are arranged offset, as is the case with the exemplary embodiment according to FIG. 6.
Eine der oben bereits angesprochenen Ebenen Es sei zwischen zwei geometrischen Schwerpunkten 96.1 und 96.2 der Querschnitte der Strömungskanäle 72.1 und 72.2 festge legt, wie es in Figur 8a veranschaulicht ist, wobei die Ebene Es dort senkrecht zur Papier- ebene steht. Der dritte geometrische Schwerpunkt 96.3 des dritten Strömungskanals 72.3 ist zu dieser Ebene Es versetzt angeordnet, wie es oben erläutert wurde. One of the above-mentioned planes. It should be defined between two geometrical focal points 96.1 and 96.2 of the cross sections of the flow channels 72.1 and 72.2, as illustrated in FIG. 8a, the plane Es standing there perpendicular to the paper plane. The third geometric center of gravity 96.3 of the third flow channel 72.3 is arranged offset to this plane Es, as was explained above.
Die in Figur 8a dargestellten Querschnitte der Strömungskanäle 72.1, 72.2, 72.3 weisen eine durch die bei diesem Ausführungsbeispiel planen Trennschotts 80.1, 80.2 und den Gehäuseaußenmantel 82 des WT-Gehäuses 68 festgelegte Kreissektorform auf. Diese im Querschnitt kreissektorförmigen Strömungskanäle 72.1, 72.2 und 72.3 sind dabei ausge hend vom Strömungskanal 72.1 um den gleichen Winkelbetrag von 120° um den Mittel punkt M des kreisförmigen Querschnitts des WT-Gehäuses 68 gedreht angeordnet. Die drei entlang einer gemeinsamen Achse angeordneten Trennschotts 80.1, 80.2, 80.3 schließen untereinander gleiche oder unterschiedliche Kippwinkel a, ß, g ein, wobei, wenn die Kippwinkel unterschiedlich sind, diese vorzugsweise a= 100°, ß= 120° und g= 140° be tragen. In Figur 8b ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers 64 im Quer schnitt dargestellt. Die Querschnitte der Strömungskanäle 72.1, 72.2, 72.3 weisen hier ab gerundete Ecken 97 und unterschiedliche Querschnittsflächen auf. The cross sections of the flow channels 72.1, 72.2, 72.3 shown in FIG. 8a have a circular sector shape defined by the separating partitions 80.1, 80.2, which are planar in this exemplary embodiment, and the outer casing 82 of the WT housing 68. This in cross-section circular sector-shaped flow channels 72.1, 72.2 and 72.3 are arranged starting from the flow channel 72.1 rotated by the same angular amount of 120 ° around the center point M of the circular cross section of the WT housing 68. The three separating bulkheads 80.1, 80.2, 80.3 arranged along a common axis include the same or different tilt angles a, β, g, and if the tilt angles are different, these preferably a = 100 °, β = 120 ° and g = 140 ° be wear. In Figure 8b, a modified embodiment of the heat exchanger 64 is shown in cross section. The cross sections of the flow channels 72.1, 72.2, 72.3 here have rounded corners 97 and different cross-sectional areas.
Figur 8c veranschaulicht in den Strömungskanälen 72.1, 72.2, 73.3 ausgebildete Kernstruk turen 98, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch Kernkörper 100 bereitgestellt sind Mittels dieser Kernstrukturen 98 ist die an der Temperaturübertragung beteiligte Fläche des Wärmetauschers 64, mit welcher das durchströmbare Prozessgas 54 während des Durchströmens in thermischer Wechselwirkung steht, bezogen auf den Wärmetauscher 64 ohne Kernstrukturen 98 vergrößert. Außerdem ist der von dem Prozessgas 54 durchström bare Strömungskanal-Querschnitt im Verhältnis dazu reduziert, wodurch das Prozessgas 54 mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit durch den Wärmetauscher 64 strömen kann und der Volumenanteil des Prozessgases 54, der direkt mit der Temperaturüberträ gerfläche in Kontakt kommt, erhöht ist. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erhöht au ßerdem die Effizienz der Temperaturübertragung. FIG. 8c illustrates core structures 98 formed in the flow channels 72.1, 72.2, 73.3, which are provided by core body 100 in this exemplary embodiment. By means of these core structures 98, the surface of the heat exchanger 64 which is involved in the temperature transfer and with which the process gas 54 through which flow can flow through in thermal interaction is, based on the heat exchanger 64 without core structures 98 enlarged. In addition, the flow channel cross section that can be flowed through by the process gas 54 is reduced in relation to this, as a result of which the process gas 54 can flow through the heat exchanger 64 at a higher flow rate and the volume fraction of the process gas 54 that comes into direct contact with the temperature transfer surface is increased . A higher flow rate also increases the efficiency of the temperature transfer.
Die Figuren 9a und 9b zeigen nun ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Düsenanord- nung 76 von dem Wärmetauscher 64 umfasst ist. Hierzu sind die Injektionsdüsen 76a der Düsenanordnung 76 in den Gehäuseaußenmantel 82 des WT-Gehäuses 68 integriert. Wie dargestellt ist, mündet der hier vorhandene dritte Strömungskanal 72.3 in einen Verteiler kanal 102, über welchen das Prozessgas zu den Injektionsdüsen 76 gelangt. Die Injektions düsen 76 können in einer einfachen Ausführung Durchgangsöffnungen im WT-Gehäuse 68 sein. Der Verteilerkanal 102 kann auch als Teil des Wärmetauschers 64 wirken und in diesem Fall neben seiner Funktion als Verteilerkanal einen vierten Strömungskanal 72.4 des Wärmetauschers 64 definieren, zu dem das Prozessgas 54 über einen stromauf vor handenen dritten Umlenkbereich 74.4 strömt. Um die Fertigung des Wärmetauschers 64 zu vereinfachen, weist das WT-Gehäuse 68 bei dem in den Figuren 10a und 10b gezeigten Ausführungsbeispiel an seinen gegenüberlie genden Stirnseiten anbringbare Gehäusekappen 104 auf. Diese können einen Teil der Ka nalanordnung 70 und des WT-Gehäuses 68 bereitstellen. Die Gehäusekappen 104 stellen hier die Umlenkbereiche 74 bereit und können ferner einen oder mehrere Einlässe 58 und/oder einen oder mehrere Auslässe 60 aufweisen. Der Wärmetauscher 64 kann somit in Einzelteilen hergestellt und erst bei Montage durch Aufsetzen der Gehäusekappen 104 komplettiert werden. FIGS. 9a and 9b now show an exemplary embodiment in which the nozzle arrangement 76 is encompassed by the heat exchanger 64. For this purpose, the injection nozzles 76a of the nozzle arrangement 76 are integrated into the outer casing 82 of the WT housing 68. As shown, the third flow channel 72.3 here opens into a distributor channel 102, via which the process gas reaches the injection nozzles 76. In a simple embodiment, the injection nozzles 76 can be through openings in the WT housing 68. The distribution channel 102 can also act as part of the heat exchanger 64 and in this case, in addition to its function as a distribution channel, define a fourth flow channel 72.4 of the heat exchanger 64, to which the process gas 54 flows via an upstream third deflection area 74.4. In order to simplify the manufacture of the heat exchanger 64, the WT housing 68 in the embodiment shown in FIGS. 10a and 10b has housing caps 104 which can be attached to its opposite end faces. These can provide part of the channel arrangement 70 and the WT housing 68. The housing caps 104 provide the deflection regions 74 here and can furthermore have one or more inlets 58 and / or one or more outlets 60. The heat exchanger 64 can thus be manufactured in individual parts and can only be completed by fitting the housing caps 104 during assembly.
In einer weiteren Variante, welche nicht eigens dargestellt ist, wird die Kanalanordnung 70 in dem WT-Gehäuse 68 ausgebildet, indem eine separate Strömungsleitstruktur in das WT-Gehäuse 68 eingesetzt und dort befestigt wird. Dabei kann die Strömungsleitstruktur lösbar befestigt werden, so dass sie bei Bedarf gegen eine andere Strömungsleitstruktur ausgetauscht werden kann, beispielsweise falls sich herausstellt, dass die durch die ver wendete Strömungsleitstruktur ausgebildete Kanalanordnung nicht ausreicht, um das Pro- zessgas 54 auf die Temperatur der Prozessraumatmosphäre 66 aufzuheizen.. In a further variant, which is not specifically shown, the channel arrangement 70 is formed in the WT housing 68 by inserting a separate flow guide structure into the WT housing 68 and fastening it there. The flow guide structure can be detachably fastened so that it can be exchanged for another flow guide structure if necessary, for example if it turns out that the channel arrangement formed by the flow guide structure used is not sufficient to bring the process gas 54 to the temperature of the process space atmosphere 66 to heat up ..
Die beschriebenen Konzepte mit den Gehäusekappen 104 oder einer einsetzbaren und gegebenenfalls austauschbaren Strömungsleitstruktur können bei allen oben erläuterten Ausführungsbeispielen umgesetzt werden. The concepts described with the housing caps 104 or an insertable and optionally interchangeable flow guide structure can be implemented in all the exemplary embodiments explained above.
Erfindungsgemäß sind das Wärmetauscher-Gehäuse 68, die Trennschotts 80.1, 80.2, 80.3, die Kernstrukturen 98 und/oder die Gehäusekappen 104 aus einem oder aus mehreren Materialien, welches bzw. welche eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von l > 50 Wm 1K 1, l > 75 Wm^K 1 oder l > 100 Wm^ K 1 aufweisen. Besonders Materialien mit Metallanteil, beispielsweise elementare Metalle, Metalllegierungen, Metalloxide, Metallnitride oder Me tallkarbide können hierfür verwendet werden. Als beispielhafte Metalle zu erwähnen sind Kupfer (Cu), Zinn (Sb), Zink (Zn), Silber (Ag), Magnesium (Mg), Nickel (Ni), Beryllium (Be), Aluminium (AI), Kalium (Ka), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Natrium (Na), Eisen (Fe), Sili zium (Si) und Tantal (Ta). According to the invention, the heat exchanger housing 68, the separating partitions 80.1, 80.2, 80.3, the core structures 98 and / or the housing caps 104 are made of one or more materials which have a specific thermal conductivity of l> 50 Wm 1 K 1 , l> 75 Wm ^ K 1 or l> 100 Wm ^ K 1 . In particular, materials with a metal component, for example elemental metals, metal alloys, metal oxides, metal nitrides or metal carbides, can be used for this. Examples of metals to be mentioned are copper (Cu), tin (Sb), zinc (Zn), silver (Ag), magnesium (Mg), nickel (Ni), beryllium (Be), aluminum (AI), potassium (Ka) , Molybdenum (Mo), tungsten (W), sodium (Na), iron (Fe), silicon (Si) and tantalum (Ta).

Claims

Patentansprüche Claims
1. Injektionseinrichtung zum Abgeben eines Gases (54), insbesondere eines Prozessga ses, auf ein Material (12), insbesondere auf ein zu kalzinierendes Batterie-Kathoden material (14), mit a) mindestens einem Einlass (58), durch welchen der Injektionseinrichtung (56) das Gas (54) zuführbar ist, und mindestens einem Auslass (60), durch welchen das Gas1. Injection device for dispensing a gas (54), in particular a Prozessga ses, on a material (12), in particular on a battery cathode material (14) to be calcined, with a) at least one inlet (58) through which the injection device (56) the gas (54) can be supplied, and at least one outlet (60) through which the gas
(54) aus der Injektionseinrichtung (56) abgebbar ist, die durch einen Strömungs weg (62) für das Gas (54) miteinander verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass b) der Strömungsweg (62) einen Wärmetauscher (64) mit einem für eine Umge (54) can be dispensed from the injection device (56), which are connected to one another by a flow path (62) for the gas (54); characterized in that b) the flow path (62) is a heat exchanger (64) with one for a reverse
bungsatmosphäre (66) von außen zugänglichen Wärmetauscher-Gehäuse (68) aufweist, in dem eine Kanalanordnung (70) untergebracht ist; c) die Kanalanordnung (70) einen ersten Strömungskanal (72.1) und einen zweiten Strömungskanal (72.2) umfasst, zwischen denen ein Umlenkbereich (74.1) ausge bildet ist, derart, dass der erste und der zweite Strömungskanal (72.1, 72.2) von dem Gas (54) mit unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind. exercise atmosphere (66) from the externally accessible heat exchanger housing (68), in which a channel arrangement (70) is housed; c) the channel arrangement (70) comprises a first flow channel (72.1) and a second flow channel (72.2), between which a deflection area (74.1) is formed, such that the first and the second flow channel (72.1, 72.2) from the gas (54) can be flowed through with different main flow directions.
2. Injektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanord nung (70) einen dritten Strömungskanal (72.3) aufweist, wobei zwischen dem dritten und dem zweiten Strömungskanal (72.3, 72.2) ein zweiter Umlenkbereich (74.2) ausge- bildet ist, derart, dass der zweite und der dritte Strömungskanal (72.2, 72.3) von dem Gas (54) mit unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind. 2. Injection device according to claim 1, characterized in that the channel arrangement (70) has a third flow channel (72.3), a second deflection area (74.2) being formed between the third and the second flow channel (72.3, 72.2), such that the second and third flow channels (72.2, 72.3) can be flowed through by the gas (54) with different main flow directions.
3. Injektionseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, 3. Injection device according to claim 2, characterized in that the first
zweite und dritte Strömungskanal (72.1, 72.2, 72.3) einen Mäander-Strömungsverlauf (94) vorgeben. second and third flow channels (72.1, 72.2, 72.3) specify a meandering flow course (94).
4. Injektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite (72.1, 72.2), der erste und der dritte (72.1, 72.3), oder der zweite und der dritte Strömungskanal (72.2, 72.3) eine gemeinsame Ebene (Es) de finieren und der dritte (72.3) bzw. der zweite (72.2) oder der erste (72.1) Strömungska- nal (72) bezogen auf diese Ebene (Es) versetzt oder in einem Winkel angeordnet ist. 4. Injection device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the first and the second (72.1, 72.2), the first and the third (72.1, 72.3), or the second and the third flow channel (72.2, 72.3) one Define the common plane (Es) and the third (72.3) or the second (72.2) or the first (72.1) flow channel (72) is offset or arranged at an angle with respect to this plane (Es).
5. Injektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung (70) einen oder mehrere weitere Strömungskanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72. 4) und jeweils einen Umlenkbereich (74; 74.1, 74.2, 74.3) vor jedem wei teren Strömungskanal (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72. 4) umfasst, derart, dass zwei aufeinan- derfolgende Strömungskanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72. 4) von dem Gas (54) mit unter schiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind. 5. Injection device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the channel arrangement (70) one or more further flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) and each a deflection area (74; 74.1, 74.2, 74.3 ) in front of each further flow channel (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72. 4), such that two successive flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72. 4) of the gas (54) with below can flow through different main flow directions.
6. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass in einem oder mehreren Strömungskanälen (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) eine Kernstruktur (98) ausgebildet ist. 7. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens zwei Strömungskanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) parallel zueinander verlaufen. 6. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that a core structure (98) is formed in one or more flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4). 7. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that at least two flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) run parallel to one another.
8. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Wärmetauscher (64) und/oder einer oder mehrere der Strömungs- kanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) zumindest abschnittsweise einen Querschnitt aufwei sen, der kreisförmig, elliptisch, kreissegmentförmig, kreissektorförmig, polygonal, ins besondere dreieckig, viereckig, insbesondere trapezförmig, trapezoid oder rechteckig, fünf-, sechs- oder mehreckig ist. 8. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (64) and / or one or more of the flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) at least in sections have a cross section which is circular, is elliptical, segment-shaped, sector-shaped, polygonal, in particular triangular, quadrangular, in particular trapezoidal, trapezoidal or rectangular, pentagonal, hexagonal or polygonal.
9. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass einer oder mehrere der Strömungskanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) in der jeweiligen Hauptströmungsrichtung zumindest abschnittsweise sich verändernde Querschnitte aufweisen. 9. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of the flow channels (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) have cross-sections which change at least in sections in the respective main flow direction.
10. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Wärmetauscher-Gehäuse (68) und Wände der darin ausgebildeten Strömungskanäle (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) aus einem oder aus mehreren Materialien sind, welches bzw. welche eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von l > 50 Wm 1 K 1, vorzugsweise l > 75 Wm 1K 1 und besonders vorzugsweise l > 100 Wm^K 1 aufwei sen. 10. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger housing (68) and walls of the flow channels formed therein (72; 72.1, 72.2, 72.3, 72.4) are made of one or more materials, which or which have a specific thermal conductivity of l> 50 Wm 1 K 1 , preferably l> 75 Wm 1 K 1 and particularly preferably l> 100 Wm ^ K 1 .
1 1. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kanalanordnung (70) zumindest teilweise durch eine Strömungs leitstruktur ausbildbar ist, welche in das Wärmetauscher-Gehäuse (68) einsetzbar und darin lösbar befestigbar ist. 1 1. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the channel arrangement (70) is at least partially formed by a flow guide structure which can be used in the heat exchanger housing (68) and detachably fastened therein.
12. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Wärmetauscher-Gehäuse (68) wenigstens eine Gehäusekappe (104) umfasst, die insbesondere einen Teil der Kanalanordnung (70) bereitstellt. 12. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger housing (68) comprises at least one housing cap (104), which in particular provides part of the channel arrangement (70).
13. Injektionseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse- kappe (104) mindestens einen Einlass (58), durch welchen dem Wärmetauscher (64) das Gas (54) zuführbar ist und/oder einen Auslass (60), durch welchen das Gas (54) aus dem Wärmetauscher (64) ausströmen kann, aufweist. 13. Injection device according to claim 12, characterized in that the housing cap (104) has at least one inlet (58) through which the gas (54) can be supplied to the heat exchanger (64) and / or an outlet (60) through which the gas (54) can flow out of the heat exchanger (64).
14. Injektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Injektionseinrichtung (56) eine Düsenanordnung (76) mit einer oder mehreren Injektionsdüsen (76a) umfasst, mittels welcher das Gas (54) auf das zu be handelnde Material (12) gerichtet abgebbar ist. 14. Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the injection device (56) comprises a nozzle arrangement (76) with one or more injection nozzles (76a), by means of which the gas (54) on the material to be treated (12) can be directed.
15. Injektionseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenano rdnung (76) von dem Wärmetauscher (64) umfasst ist. 15. Injection device according to claim 14, characterized in that the nozzle arrangement (76) is comprised by the heat exchanger (64).
16. Prozessgassystem zum Zuführen eines Prozessgases (54), insbesondere eines Prozess- gases (54) für eine thermische oder thermo-chemische Behandlung, insbesondere eine Kalzinierung, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), in einen Prozessraum (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgassystem (52) wenigstens eine Injektionseinrichtung (56) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 um fasst. 16. Process gas system for supplying a process gas (54), in particular a process gas (54) for a thermal or thermo-chemical treatment, in particular a calcination, of material (12), in particular battery cathode material (14), into a process space (20), characterized in that the process gas system (52) at least one injection device (56) according to any one of claims 1 to 15.
17. Vorrichtung zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln, insbesondere zum Kalzinieren, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), mit a) einem Gehäuse (16; 16a, 16b, 16c, 16d); b) einem in dem Gehäuse (16; 16a, 16b, 16c, 16d) befindlichen Prozessraum (20); c) einem Fördersystem (28), mittels welchem das Material (12) oder mit dem Mate rial (12) beladene Tragstrukturen (40) in einer Förderrichtung (30) in oder durch den Prozessraum (20) förderbar sind; d) einem Heizsystem (45), mittels welchem eine in dem Prozessraum (20) herr 17. Device for thermal or thermochemical treatment, in particular for calcining, of material (12), in particular of battery cathode material (14), with a) a housing (16; 16a, 16b, 16c, 16d); b) a process space (20) located in the housing (16; 16a, 16b, 16c, 16d); c) a conveyor system (28), by means of which the material (12) or with the material (12) loaded support structures (40) can be conveyed in a conveying direction (30) in or through the process space (20); d) a heating system (45), by means of which one is located in the process space (20)
schende Prozessraumatmosphäre (66) aufheizbar ist; e) einem Prozessgassystem (52), mittels welchem dem Prozessraum (20) ein Pro zessgas (54) zuführbar ist, welches für die thermische oder thermo-chemische Be handlung des Materials (12) erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass f) das Prozessgassystem (52) ein Prozessgassystem (52) nach Anspruch 16 ist und das Prozessgas (54) mittels der Injektionseinrichtung (56) gezielt auf das Material (12) oder auf die mit Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) abgebbar ist; g) die Injektionseinrichtung (56) derart angeordnet ist, dass der Wärmetauscher (64) von der Prozessraumatmosphäre (66) umströmbar und/oder bestrahlbar ist, so dass das Prozessgas (54) passiv aufheizbar ist. process atmosphere (66) can be heated; e) a process gas system (52), by means of which the process space (20) can be supplied with a process gas (54) which is required for the thermal or thermo-chemical treatment of the material (12), characterized in that f) the process gas system (52) is a process gas system (52) according to claim 16 and the process gas (54) can be dispensed specifically by means of the injection device (56) onto the material (12) or onto the support structures (40) loaded with material (12); g) the injection device (56) is arranged such that the process chamber atmosphere (66) can flow around and / or irradiate the heat exchanger (64), so that the process gas (54) can be passively heated.
18. Verfahren zum thermischen oder thermo-chemischen Behandeln, insbesondere zum18. Process for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for
Kalzinieren, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), bei welchem a) das Material (12) oder die mit dem Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) durch einen Prozessraum (20) einer Vorrichtung (10) zur thermischen Behandlung des Materials (12) gefördert werden; b) eine in dem Prozessraum (20) herrschende Prozessraumatmosphäre (66) aufge- heizt wird; c) dem Prozessraum (20) ein Prozessgas (54) zugeführt wird, welches für die thermi sche oder thermo-chemische Behandlung erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) das Prozessgas (54) mit Hilfe eines Wärmetauschers (64) aufgeheizt wird, der in dem Prozessraum (20) angeordnet ist. Calcining, of material (12), in particular battery cathode material (14), in which a) the material (12) or the supporting structures (40) loaded with the material (12) are conveyed through a process space (20) of a device (10) for the thermal treatment of the material (12); b) a process room atmosphere (66) prevailing in the process room (20) is heated; c) the process space (20) is supplied with a process gas (54) which is required for the thermal or thermo-chemical treatment, characterized in that d) the process gas (54) is heated with the aid of a heat exchanger (64) which is arranged in the process space (20).
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (54) dem Prozessraum (20) mit einer Temperatur zugeführt wird, die im Wesentlichen der Temperatur der Prozessraumatmosphäre (66) entspricht. 19. The method according to claim 18, characterized in that the process gas (54) is fed to the process space (20) at a temperature which essentially corresponds to the temperature of the process space atmosphere (66).
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrich tung (10) nach Anspruch 17 verwendet wird. 20. The method according to claim 18 or 19, characterized in that a Vorrich device (10) according to claim 17 is used.
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