NO132936B - - Google Patents

Description

Apparat for frembringelse av høye temperaturer i et fluidisert lag.

Foreliggende oppfinnelse angår apparater for oppnåelse av høye temperaturer

i et fluidisert lag av elektrisk ledende partikler som varmes opp ved elektrisk strøm-gjennomgang gjennom det fluidiserte lag.

Apparater av denne art er beskrevet så

tidlig som i 1932 av F. Winkler i U.S. patent nr. 1 857 799. Winklers apparat besto

av et reaksjonskammer med flytende lag

og med flate legerte plater som elektroder

anbrakt i motstående vegger i reaktoren,

slik at elektrisk strøm mellom elektrodene

fløt gjennom det fluidiserte lag av kull-partikler. Apparatet var beregnet for frem-stilling av vanngass av damp og granulert

koks laget av lignit.

Driften av det fluidiserte lag oppvarmet elektrisk som beskrevet av Winkler og

andre, byr på alvorlige vanskeligheter,

særlig når det gjøres forsøk på å øke ar-beidstemperaturene til over 900° C. Selv

om apparater av den type som er beskrevet

av Winkler har vært kjent for mer enn 25

år og selv om det er blitt foreslått å be-nytte apparater av denne art så sent som

i 1949 av P. W. Garbo for reduksjon av

sinkforbindelser til metalliske sinkdamper

(U.S. patent nr. 2 475 607) og i 1957 av E.

F. Pevere og andre for kjemiske reaksjoner som aktiveres ved gnistladning (U.S.

patent nr. 2 799 640) er det ikke blitt utvik-let eller beskrevet noe helt ut tilfredsstil-lende apparat, og man kjenner ikke til

kommersielt brukbare apparater eller apparater som er blitt drevet i kommersiell

målestokk.

Den største vanskelighet som har hind-

ret drift av elektrisk oppvarmede fluidiserte lag ved høye temperaturer skyldes elektrisk svikt som er resultatet av en tilsyne-latende nedbrytning i eller i nærheten av det fluidiserte lag av de elektrisk isolerende egenskaper av de konstruksjonsele-menter som skiller elektrodene ved forskjellige spenninger. Slik nedbrytning har ført til kortslutninger som i enkelte til-feller har smeltet de keramiske konstruk-sjonselementer som holder elektrodene og det fluidiserte lag.

Således er det i belgisk patent nr. 550 556 beskrevet et apparat forsynt med elektrisk isolerende rørformede holdere av kvarts rundt elektrodene for at elektrodene skal kunne holdes i riktig stilling i apparatet. Disse rør er imidlertid også i direkte kontakt med den varme masse av fluidisert kull og rørenes isolerende egenskaper brytes ned under de alvorlige på-kjenninger de utsettes for ved de tempe-raturforhold som hersker i det fluidiserte lag.

Hensikten med oppfinnelsen er å kom-me frem til forbedringer i apparater for frembringelse av høye temperaturer i et fluidisert lag av elektrisk ledende partikler oppvarmet ved elektrisk strømgjennom-gang, slik at apparatet kan arbeide kon-tinuerlig i lange perioder ved høye temperaturer innbefattende temperaturer høy-ere enn 1000° uten fare for at den elektriske isolasjon som isolerer elektrodene for strømtilførsel til det fluidiserte lag skal bryte sammen.

Dette og andre formål oppfylles ved foreliggende oppfinnelse som angår et apparat for frembringelse av høye temperaturer i et fluidisert lag av elektrisk ledende partikler, varmet opp ved strømgjennom-gang, der apparatet omfatter (a) et reaksjonskammer omsluttet av en varmeisolerende anordning som også omslutter et lag varmefluidiserte, elektrisk ledende partikler i den nedre del av reaksjonskamme-ret, (b) gassinnløpsanordninger for innfø-ring og fordeling av fluidiserende gass over hele det innvendige tverrsnitt av kammeret på bunnen av dette, (c) gassutløpsan-ordninger for ledning av gasser fra den øvre del av kammeret til punkter utenfor dette, (d) minst to elektroder som ligger på forskjellige potensialer og som er ført inn i kammeret og ender innenfor den nedre del av dette, idet minst en av de nevnte elektroder stikker inn gjennom kammerets øvre del og (e) anordninger som forbinder elektrodene med en kraftkilde og som i det vesentlige er kjenneteg-net ved (1) gasstett elektrisk isolasjon rundt hver elektrode som stikker inn i den øvre del av kammeret, hvilken isolasjon omslutter den tilhørende elektrode ved innføringspunktet gjennom den varmeisolerende oppbygning og danner den eneste forbindelse, bortsett fra det fluidiserte lag mellom elektroden og den varmeisolerende oppbygning og (2) strålevarmeskjermer mellom den nevnte gasstette, elektriske isolasjon og toppen av det fluidiserte lag, for å hindre varmestråling fra det fluidiserte lag til isolasjonen.

I foretrukne utførelsesformer for oppfinnelsen blir de deler av elektrodene som er i kontakt med den gasstette elektriske isolasjon kjølt ved kontakt med hensikts-messig sirkulerende kjølefluidum.

De apparater denne oppfinnelse angår har en god del felles med vanlige elektriske ovner. Apparatene ble foreslått av Winkler og av Garbo som gjorde bruk av elektroder som stakk gjennom veggene av den opp-bygging som omsluttet de fluidiserte lag og elektrodene stakk inn i lagene under overflaten av disse. Det har vist seg at en slik plasering av elektrodene er uprak-tisk ved høye temperaturer, f. eks. over 900° C, fordi det ganske snart oppstår sam-menhengende elektrisk ledende baner på veggene i oppbyggingen, hvilke baner danner kortslutninger mellom de punkter der elektrodene stikker gjennom veggene. De ledende baner har vist seg å bli dannet øyensynlig ved en sterkt lokal, midlertidig smelting av overflaten av normalt ikke ledende vegger med påfølgende iblanding av ledende faste stoffer i matrisen, slik at det dannes ledende overflater.

Det har således vist seg nødvendig for driften i praksis av fluidiserte lag ved høye temperaturer å plasere elektrodene slik at ikke mer enn en elektrodefunksjon føres gjennom veggene av oppbyggingen og kommer inn i det fluidiserte lag lavere enn det-tes overflate. Med to elektroder for et en-fase elektrisk oppvarmet fluidisert lag kan således begge elektroder plaseres slik at de stikker ned i det fluidiserte lag ovenfra, eller de kan plaseres slik at en elektrode stikker ned i det fluidiserte lag ovenfra mens den annen elektrode føres inn i laget under overflaten. Med den sistnevnte anordning kan den nedre elektrode hensikts-messig være en ledende del av den opp-bygging som omslutter det fluidiserte lag og som under drift er i god kontakt med dette.

For praktisk drift av fluidiserte lag ved høye temperaturer har det videre vist seg nødvendig at den elektriske isolasjon som skiller de elektroder som kommer inn i det fluidiserte lag ovenfra fra oppbyggingen som danner det kammer som omslutter det fluidiserte lag, må beskyttes mot direkte stråling fra det fluidiserte lag av skjermeanordninger for strålevarme. Det er blitt påvist at alle såkalte elektriske iso-lasjonsmaterialer i en betydelig utstrek-ning blir elektrisk ledende ved temperaturer som man ofte støter på i elektrisk oppvarmede fluidiserte lag. Videre må oppbyggingen som omslutter det fluidiserte lag være gasstett for å holde de fluidiserende gasser i deres riktige baner, og den elektriske isolasjon som skiller elektrodene fra oppbyggingen må derfor også være gasstett. Gasstett elektrisk isolasjon rundt hver elektrode som stikker inn i et fluidisert lag ovenfra må derfor danne den eneste forbindelse, når man ser bort fra det fluidiserte lag, mellom elektroden og den opp-bygging som omslutter det fluidiserte lag, og isolasjonen må skjermes mot direkte varmestråling fra det fluidiserte lag.

Oppfinnelsen er vist helt skjematisk

på tegningen der:

Fig. 1 viser et vertikalt snitt gjennom

et elektrisk oppvarmet fluidisert lag,

fig. 2 og 3 viser et horisontalt snitt gjennom apparatet på fig. 1, henholdsvis ved A—A og B—B og

fig. 4 viser et vertikalt snitt gjennom et annet elektrisk oppvarmet fluidisert lag, og både fig. 1—4 innbefatter detaljer ved de forbedringer som utgjør oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et reaksjonsapparat byg-get i laboratoriestørrelse og med et fluidisert lag. Apparatet omfatter en glassylin-der 10 som tåler høy temperatur, og denne . sylinder inneholder et lag av fluidisert, elektrisk ledende, faste partikler 11. Gass for fluidisering av de faste partikler inn-føres gjennom innløpet 12 og fordeles under laget av en fordeler 13. Et gassutløp 14 fører gassen fra apparatet. To elektroder 15 som ved hjelp av ledninger 16 er tilkop-let en kraftkilde (ikke vist) leder strøm-men til det fluidiserte lag 11. Elektrodene er adskilt og isolert fra hverandre og fra reaktorens hovedoppbygging ved hjelp av de elektrisk isolerende gummipropper 17. Gummiproppen 17 er skjermet mot direkte strålevarme fra det fluidiserte lag ved hjelp av en sentral varmebestandig skjerm 18 som sitter på gassutløpet, og to ytter-ligere skjermer 19 som er montert adskilt på hver av de to elektroder, og disse skjermer er ikke i kontakt med hverandre og heller ikke med andre deler av apparatet. Kjøling ved naturlig luftstrømning er tilstrekkelig til å kjøle de deler av reaktoren som ligger over stråleskj ermene.

Fig. 4 viser delvis i snitt, et reaktor - apparat med et sylindrisk fluidisert lag for bruk i stor målestokk. Det omfatter en stålmantel 20 og lokk 21 som omslutter en varmeisolerende keramisk foring 22. Laget av fluidiserte stoffer 23 fluidiseres av gass som føres inn ved innløpet 24 og fordeles under laget av en elektrisk ledende fordeler 25. Gassen forlater apparatet gjennom utløpet 26. Gassfordeleren virker som den ene elektrode i apparatet og tilføres strøm gjennom innføringselektroden 27. Den øvre elektrode 28 stikker inn gjennom et hull i varmeskjermen 29 som lukker toppen av kammeret for det fluidiserte lag. Skjermen 29 absorberer all varme som stråler fra det fluidiserte lag bortsett fra den varme som passerer gjennom det ringformede rom mellom elektroden 28 og skjermen 29. Varme som passerer gjennom denne spalte eller åpning treffer elektrodens hode 30. Dette hode kan kjøles ved sirkulasjon av et kjølemiddel som strømmer inn og ut ved 31 resp. 32. Den kritiske del av den elektriske isolasjon er isolasjonsringen 33 som beskyttes mot strålevarme fra det fluidiserte lag av skjermen 29 og det avkjølte elektrodehode 30. Elektroden 28 og elek-trodehodet 30 som ligger på samme poten-sial vil således være isolert fra resten av apparatet på andre potensialer av isolasjonen 33, og denne isolasjon er gasstett og fullstendig skjermet mot strålevarme fra det fluidiserte lag.

Det skulle være tydelig at konstruk-sjonsmaterialene er av stor betydning ved utøvelse av denne oppfinnelse. De overflater av apparatet som er i kontakt med eller som er utsatt for direkte varmestråling fra det varme fluidiserte lag vil hvis de ikke kjøles på en effektiv måte, få temperaturer som nesten kan bli like høye som temperaturen på selve det fluidiserte lag. Eller deler av apparatet som er utsatt slik må ha stor motstandsdyktighet mot høye temperaturer eller må kjøles effektivt. For å bevare varmen i det fluidiserte lag er det klart at man må gjøre bruk av varmeisolerende materialer der det er mulig for å redusere varmetapene fra ildfaste materialer til det omgivende medium. Et ut-merket idlfast konstruksjonsmateriale til bruk ved foreliggende oppfinnelse er mur-sten av høye aluminiumoksyder som lett kan benyttes for de vertikale vegger rundt et varmt fluidisert lag. Et antall typer støpbare ildfaste materialer av høye aluminiumoksyder, f. eks. «alundum», er hen-siktsmessige materialer for deler som må utsettes for den direkte varme fra et fluidisert lag og som må støpes. F. eks. kan varmeskjermen eller lokket 29 på fig. 4 støpes i ett eller flere stykker av slikt ildfast materiale. Silikonkarbid er også et ut-merket ildfast materiale som kan benyttes alene eller i forbindelse med støpte ildfaste deler som et særlig effektivt ildfast belegg.

Fordi de deler av apparatet som elektrisk isolerer elektrodene fra hverandre er skjermet mot direkte varme fra det fluidiserte lag i henhold til oppfinnelsen, behø-ver de elektrisk isolerende deler ikke ha den overordentlig store motstandsdyktighet mot høye temperaturer som man kre-ver av de mer utsatte deler. Dette er vist tydelig i apparatet på fig. 1 som er beregnet for drift i liten skala og enheter av denne type har med stor hell vært i drift i mange timer for studium i forskjellige reaksjoner i fluidiserte lag ved høye temperaturer, f. eks. temperaturer på mer enn 1000° C uten ødeleggelse av de vanlige la-boratoriepropper av gummi som danner den elektriske forbindelse bare noen få centimeter fra det varme fluidiserte lag. I apparater for større kapasitet, f. eks. som vist på fig. 4, er de utsatte deler av den elektriske isolasjon laget av «transitt» asbestplater som har vist seg å være like gode når det gjelder isolasjonen etter bruk i ukevis i apparater med fluidiserte lag som har høy temperatur når asbestplatene skjermes i henhold til oppfinnelsen, mens uskjermede transitt asbestplater og deler

av dette materiale har vist seg å bli øde-lagt, smuldre opp og danne en matrise for

elektriske kortslutninger etter at de bare

i få dager har vært utsatt for direkte strålevarme fra de fluidiserte lag.

Elektrodene som skal være i kontakt

med de varme fluidiserte lag er fortrins-vis laget av grafitt eller andre hensikts-messige ledende former for kull. Slike kull-elektroder kombinerer tilstrekkelig elektrisk ledningsevne med tilstrekkelig varme-motstandsdyktighet som man ikke finner

ved elektroder av metallegeringer som tid-ligere er foreslått for liknende anvendelser.

For å muliggjøre kjøling av de deler av

elektroden som er i direkte kontakt med

den kritiske elektriske isolasjon er det hen-siktsmessig å sørge for sirkulasjon av kjø-levæske rundt eller gjennom disse deler.

Som vist på fig. 4 er således en kullelek-trode 28 innpasset i et metallisk elektrodehode 30 og hodet kjøles ved sirkulasjon

av kjølemiddel.

Claims (3)

1. Apparat for frembringelse av høye

temperaturer i et fluidisert lag av elektrisk ledende partikler, varmet opp ved strømgjennomgang, der apparatet omfatter (a) et reaksjonskammer omsluttet av en varmeisolerendé anordning som også omslutter et lag varmefluidiserte, elektrisk ledende partikler i den nedre del av reak-sjonskammeret, (b) gassinnløpsanordnin-ger for innføring og fordeling av fluidiserende gass over hele det innvendige tverrsnitt av kammeret på bunnen av dette", (c) gassutløpsanordninger for ledning av gasser fra den øvre del av kammeret til punkter utenfor dette, (d) minst to elektroder som ligger på forskjellige potensialer og som er ført inn i kammeret og ender innenfor den nedre del av dette, idet minst en av de nevnte elektroder stikker inn gjennom kammerets øvre del, og (e) anordninger som forbinder elektrodene med en kraftkilde, karakterisert ved (1) gasstett elektrisk isolasjon rundt hver elektrode som stikker inn i den øvre del av kammeret, hvilken isolasjon omslutter den tilhørende elektrode ved innførings-punktet gjennom den varmeisolerendé oppbygning og danner den eneste forbindelse, bortsett fra det fluidiserte lag, mellom elektroden og den varmeisolerendé oppbygning og (2) strålevarmeskjermer mellom den nevnte gasstette, elektriske isolasjon og toppen av det fluidiserte lag, for å hindre varmestråling fra det fluidiserte lag til isolasjonen.

2. Apparat som angitt i påstand 1, karakterisertvedat den del av den elektrode som er i kontakt med den elektriske isolasjon avkjøles ved sirkulasjon av kjøle væske i kontakt med elektroden og der varmeskjermningen er en varmeisolerendé plate montert nær toppen av kammeret, med en åpning som elektroden passerer.

3. Apparat som angitt i påstand 1, karakterisert ved at stråleskjerm-ingen består av to slags skjermer som hver er montert på en av elektrodene og en tredje skjerm som er montert på gassut-løpsanordningen, hvilke skjermer er ute av kontakt med hverandre og med andre elementer i apparatet, idet den tredje skjerm tjener til å skjerme isolasjonen mot varmestråling som passerer mellom de før-ste og de andre skjermer.