NO315442B1 - Elektrisk kalsineringsovn - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk kalsineringsovn for kalsinering av partikkelformige faste materialer, særlig karbonmaterialer.

Teknikkens stilling

Elektrisk kalsinering av karbonholdige materialer så som antrasitt, bekkoks, metallurgisk koks og petrolkoks foregår ved at elektrisk strøm ledes gjennom det materiale som skal kalsineres. Derved oppvarmes de karbonholdige materialer og under oppvarmingen vil fuktighet og andre flyktige bestanddeler i materialene drives av ettersom temperaturen stiger. Avhengig av temperaturen som materialet oppvarmes til vil en del av materialet omdannes til grafitt.

Elektriske kalsineringsovner for kalsinering av ovennevnte karbonmaterialer utgjøres av en langstrakt sylinderformet ovn utstyrt med en bunnelektrode og en toppelektrode. Materialet som skal kalsineres tilføres toppen av ovnen og kalsinert materiale utmates fra bunnen av ovnen. En slik kalsineringsovn er beskrevet i WO 98/46954. I elektriske kalsineringsovner av den beskrevne type blir temperaturen mellom elektrodene i senter av ovnen meget høy, over 2500°C, mens temperaturen i periferien av ovnen er vesentlig lavere, mellom 800 og 1200°C. Denne ujevne temperaturfordeling over ovnens tverrsnitt fører til at det kalsinerte materiale som uttas fra ovnen er blitt utsatt for en ujevn varmebehandling under kalsineringsprosessen. Dette fører til et produkt med ujevne egenskaper hvilket er en ulempe ved etterfølgende bruk av det kalsinerte materialet.

Ifølge WO 98/46954 er dette problemet forsøkt løst ved at det fra ovnen utmates to fraksjoner av kalsinert materiale; en fraksjon fra senter av ovnen og en fraksjon fra ovnens periferi. Fraksjonen som utmates fra ovnens senter er blitt oppvarmet til en høy temperatur og er meget godt kalsinert, mens periferifraksjonen er blitt oppvarmet til en vesentlig lavere temperatur og inneholder derfor fortsatt flyktige bestanddeler. Denne fraksjonen har derfor en vesentlig lavere kvalitet og derved lavere verdi enn senterfraksjonen. Når det ønskes en høy grafittiseingsgrad ved kalsinering av antrasitt, må størrelsen av senterfraksjonen reduseres for å sikre at den ytre del av senterfraksjonen har vært oppvarmet til en tilstrekkelig høy temperatur i tilstrekkelig lang tid til at ønsket grafittiseringsgrad oppnås. Ved produksjon av kalsinert antrasitt med høy grafittiseringsgrad blir derved produktiviteten av kalsineringsovnen ifølge WO 98/4695 lav.

Det er derfor et behov for en elektrisk kalsineringsovn som muliggjør at alt materialet som tilføres ovnen kan oppvarmes til en tilnærmet lik temperatur slik at man oppnår et ensartet kalsinert materiale med jevn kvalitet.

Ved den foreliggende oppfinnelse er man nå kommet frem til en elektrisk kalsineringsovn hvor energitilførselen er tilnærmet konstant over tverrsnittet av kalsineringsovnen. Alt materiale som passerer gjennom kalsineringsovnen blir derved oppvarmet til tilnærmet lik temperatur.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en elektrisk kalsineringsovn for kalsinering av faste partikkelformige materialer, særlig karbonmaterialer, hvilken ovn utgjøres av en i det vesentlige sylinderformet vertikal ovn med midler for tilførsel av materiale som skal kalsineres til toppen av ovnen og midler for utmatning av kalsinerte materialer fra bunnen av ovnen, og hvor ovnen er utstyrt med en horisontalt anordnet oppvarmingssone med en rekke i det vesentlige horisontale elektroder anordnet rundt omkretsen av den sylinderformede vertikale ovnen, hvilke elektroder er tilknyttet en strømkilde hvilken kalsineringsovn er kjennetegnet ved at en styreenhet for strømtilførsel er anordnet mellom strømkilden og elektrodene, hvilken styreenhet er slik innrettet at elektrisk strøm vekselvis tilføres til to og to elektroder, mens de øvrige elektrodene er strømløse.

Styreenheten for strømtilførsel er fortrinnsvis slik innrettet at strøm tilføres til to og to elektroder som er definert som par og anordnet rundt omkretsen av oppvarmingssonen.

Ifølge en foretrukket utførelsesform utgjøres styreenheten for strømtilførsel til elektrodene av en thyristorstyring. Alternativt kan styreenheten omfatte brytere som etter et fastlagt program sørger for tilførsel av strøm til kun et elektrodepar til enhver tid.

Antallet elektroder er minst fire og det er særlig foretrukket å anvende åtte elektroder.

Ved at strøm til enhver tid kun tilføres mellom to og to elektroder og at strømtilførselen ved hjelp av styreenheten mer eller mindre kontinuerlig skifter fra et elektrodepar til et annet elektrodepar, vil strømbanene i ovnen bli jevnt fordelt over tverrsnittet av kalsineringsovnen slik at materialene som skal kalsineres vil bli oppvarmet til tilnærmet lik temperatur over hele tverrsnittet av kalsineringsovnen.

Elektrodene utgjøres fortrinnsvis av grafittelektroder, hvor hver elektrode er anordnet i en gasstett elektrodegjennomføring i veggen av kalsineringsovnen, og hvor det er anordnet midler for å ettermate elektroden etterhvert som elektroden forbrukes. For å redusere elektrodeforbruket er det foretrukket å anvende hule elektroder hvor det i hulrommet er anordnet et varmerør (heat pipe) for kjøling av elektroden. Et varmerør er et lukket rør inneholdende et flytende, fordampbart kjølemedium, hvor det i røret om nødvendig er anordnet en veke for å føre kondensert kjølemedium tilbake til den varme enden av røret.

I henhold til en foretrukket utførelsesform har kalsineringsovnen i oppvarmingssonen en større indre diameter enn over og under oppvarmingssonen, hvor overgangen mellom sonen over oppvarmingssonen og oppvarmingssonen skråner svakt utover mens den nedre del av oppvarmingssonen skråner sterkt innover slik at det i nederste del av oppvarmingssonen dannes en ringformet flate som skråner innover og nedover. Elektrodespissene vil derved beskyttes fra materialene som synker nedover i kalsineringsovnen, idet strømningshastigheten for materialene vil være meget liten rundt elektrodespissen på grunn av den ringformede flate under elektrodene.

Materialene i oppvarmingssonen vi! bli oppvarmet til meget høye temperaturer av over 2000°C også i periferiområdet. Ovnsmantelen i oppvarmingssonen utgjøres derfor fortrinnsvis av væskekjølte, eller fordampningskjølte paneler. For ytterligere kjøling i reaksjonssonen er det fortrinnsvis mellom hver av elektrodene anordnet vertikale radielle plater, hvilke plater er innrettet til å kjøles ved fordampningskjøling ved at hver av platene har et indre reservoir inneholdende et kjølemedium som er flytende ved driftstemperaturen for platene og som har et kokepunkt ved driftstemperaturen for platene. Hver av platene er videre utstyrt med et vertikalt rør hvor hulrommet i røret står i kontakt med det indre reservoir i platen for kondensering av damp fra kjølemediet, hvilket rør strekker seg oppover fra platene og til oversiden av kalsineringsovnen. Rørene har fortrinnsvis langsgående ytre ribber for å øke rørenes ytre overflate. I området over kalsineringsovnen er hvert av kondensatorrørene utstyrt med en væskekjølt kondensator.

Ved drift av kalsineringsovnen vil en del av kjølemediet i platene fordampe når temperaturen i kjølemediet når kokepunktet. Dampen vil stige oppover i kondensatorrørene hvor dampen vil kondenseres på grunn av kontakt mellom kondensatorrørene og det kalde materialet som chargeres ved toppen av kalsineringsovnen. Kondensasjonsvarmen vil derved overføres til materialet som skal kalsineres og dermed gi en forvarming av materialene som skal kalsineres. Det kondenserte kjølemedium vil renne ned i kjølemiddelreservoiret i platene. Varmen fra kjølemediet utnyttes derved til forvarming av de materialer som skal kalsineres. Eventuell damp som ikke kondenserer i rørene inne i kalsineringsovnen vil kondensere i kondensatorenhetene over kalsineringsovnen. Fordampningskjølingen sørger for at temperaturen i platene holdes i nærheten av kokepunktet for kjølemediet.

Det kalsinerte materialet avkjøles i kalsineringsovnens nedre del og utmates enten ved hjelp av en konvensjonell tallerkenutmater eller ved hjelp av en annen konvensjonell utmatningsanordning.

Ved kalsineringsovnen i henhold til den foreliggende oppfinnelse oppnås det en jevn oppvarming av det materialet som kalsineres over hele tverrsnittet av ovnen. Det oppnås dermed et kalsinert materiale med jevn kvalitet idet hele materialstrømmen blir oppvarmet til tilnærmet lik temperatur. Ved regulering av forholdet mellom tilført energi og utmatningshastigheten fra kalsineringsovnen kan man videre oppnå ønsket kalsineringsgrad for hele materialstrømmen. Ved kalsinering av karbonholdige materialer så som antrasitt kan derved grafitteirngsgraden av det kalsinerte materialet styres.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom en kalsineringsovn i henhold til oppfinnelsen,

Figur 2 viser et snitt tatt langs linje l:l i figur 1, og hvor

Figur 3 viser et forstørret vertikalt snitt gjennom en elektrode i kalsineringsovnen.

På figurene 1 og 2 er det vist en kalsineringsovn 1. Kalsineringsovnen er sylinderformet og består av en øvre chargerings- og forvarmingsdel 2, en oppvarmingssone 3 og en avkjølings- og utmatingssone 4. Kalsineringsovnen er opplagret i bygning vist ved bjelker 5. Råmateriale, så som ukalsinert antrasitt, innmates ved toppen av chargerings- og forvarmingssonen 2 ved hjelp av en dobbel-klokke anordning 6, eller ved hjelp av en annen konvensjonell chargeringsanordning f.eks. slik som vist i WO 98/46954. Ferdig kalsinert materiale utmates i bunnen av kalsineringsovnen 1 via en utmatningsanordning 7. Avgasser som oppstår ved kalsineringen uttas gjennom et gassuttak 8.

Kalsineringsovnen har et ytre skall 9 av stål. I chargerings og forvarmingssonen 2 kan det på utsiden av stålskallet 9 anordnes et sjikt av isolerende materiale 10 for å hindre varmetap fra denne del av kalsineringsovnen. I avkjølings og utmatningssonen 4 er det på innsiden av stålskallet 9 anordnet en ildfast foring 11. Hvis nødvendig kan stålskallet 9 i avkjølings- og utmatningssonen 4 utstyres med midler for avkjøling (ikke vist) så som vannkjøling eller luftkjøling.

I henhold til oppfinnelsen er kalsineringsovnen i oppvarmingssonen 3 utstyrt med en rekke horisontale elektroder 12 anordnet rundt omkretsen av kalsineringsovnen.

I området rundt oppvarmingssonen 3 har kalsineringsovnen 1 en større indre diameter enn i chargerings- og forvarmingssonen 2. I overgangen mellom forvarmingssonen 2 og oppvarmingssonen 3 skråner den indre overflate av kalsineringsovnen svakt utover, ved 13, mens overgangen mellom den nedre del av oppvarmingssonen 3 og avkjølingssonen 4 skråner sterkt innover slik at det dannes en ringformet flate 14 som skråner innover og nedover. Denne utforming av oppvarmingssonen fører til at elektrodene blir beskyttet mot de nedoverstrømmende materialene i kalsineringsovnen idet strømningshastigheten av materialene i periferiområdet av oppvarmingssonen vil reduseres sterk på grunn av den ringformede flaten 14.

Elektrodene 12 er jevnt fordelt rundt omkretsen av oppvarmingssonen som vist på figur 2. På den viste utførelsesform er det vist åtte elektroder 12, men det ligger innenfor rammen av oppfinnelsen å benytte fire, seks eller flere enn åtte elektroder.

Elektrodene 12 fremstilt av grafitt er ført gjennom sideveggen i oppvarmingssonen 3 på en gasstett måte som nærmere vist på figur 3. På figur 3 er en av elektrodene 12 vist i større målestokk. Elektrodene 12 er ført gjennom laget med termisk isolasjon 10 og stålveggen 9 i kalsineringsovnen. En elektrodetetning 15 er anordnet for å oppnå en gasstett gjennomføring av elektrodene 12. Elektrodetetningen 15 vist på figur 3 består av en ringformet sylinder 16 og en kileformet sylinder 17 som presser sylinderen 18 mot den ytre overflaten av elektroden 12. Den kileformede sylinderen 17 er utstyrt med låsepinner eller skruer 18. Andre kjente gasstette elektrodetetninger kan også benyttes.

Et varmerør 19 er innført i det sentrale hulrommet i elektroden 12. Varmerøret 19 er fylt med at flytende fordampbart kjølemedium og med en kondensator 20 anordnet utenfor elektroden 12 for å kondensere damp fra det fordampbare kjølemediet. Kondensatoren 20 er utstyrt med en kjølesløyfe 21 (se figur 2) for transport av et flytende kjølemedium for kondensering av damp fra varmerøret 19. Om nødvendig kan en veke anordnes inne i varmerøret 19 for å transportere kondensert kjølemedium fra kondensatoren 20 til den varme enden av varmerøret 19.

Som vist på figur 1 tilføres elektrodene 12 elektrisk strøm via strømledre 22 fra en ikke vist strømkilde. Strømmen til elektrodene 12 styres ved hjelp av en styringsenhet 23. Styringsenheten 23 er slik innrettet at strøm tilføres to og to elektroder 12 på samme tid, mens de øvrige elektroder 12 i dette tidsrommet er strømløse. Strømmen skiftes fra elektrodepar til elektrodepar ved hjelp av styringsenheten 23 mer eller mindre kontinuerlig. På denne måten sikres det at strømbanene dekker størstedelen av tverrsnittet av kalsineringsovnen i oppvarmingssonen. Det sikres derved at materialene som skal kalsineres oppvarmes til tilnærmet lik temperatur over hele tverrsnittet i oppvarmingssonen av kalsineringsovnen. Materiale som kalsineres i ovnen vil derved få en jevn kvalitet. Ved kalsinering av for eksempel antrasitt kan dermed ønsket grafittiseringsgrad oppnås for hele materialstrømmen ved å regulere forholdet mellom energitilførsel og utmatningshastighet av ferdig kalsinert materiale fra kalsineringsovnen.

For å kjøle området rundt elektrodene 12 er det mellom hver av elektrodene 12 anordnet vertikale, radielle, fordampningskjølte plater 24, som vist på figur

1 og 2.1 hver av platene 24 er det anordnet et reservoir for et kjølemiddel som er flytende ved driftstemperaturen i oppvarmingssonen 3 og som har et kokepunkt ved driftstemperaturen i oppvarmingssonen 3. Hver av platene 24 er videre utstyrt med et kondensatorrør 25 med en rekke ytre, langsgående ribber 26 for kondensering av damp fra kjølemediet, hvilke kondensatorrør 25 strekker seg oppover fra platene 12 til et nivå over toppen av kalsineringsovnen. Over toppen av kalsineirngsovnen er kondensatorrørene 25 omgitt av en kjøler 27 for sirkulasjon av en kjølevæske. Ved drift av kalsineringsovnen vil en del av kjølemediet i reservoiret i platene 24 fordampe når temperaturen i kjølemediet når kokepunktet. Dampen vil stige oppover i kondensatorrørene 25 hvor dampen vil avkjøles og kondenseres på grunn av kontakt mellom kondensatorrørene 25 og det materialet som chargeres ved toppen av kalsineirngsovnen 1. Kondensasjonsvarmen vil derved overføres til materialet som skal kalsineres og dermed gi en forvarming av materialene som skal kalsineres. Det kondenserte kjølemedium vil renne ned i kjølemiddelreservoiret i platene 12. Varmen fra kjølemediet utnyttes derved til forvarming av de materialer som skal kalsineres. Eventuelt resterende damp i kondensatorrørene 25 som ikke kondenseres inne i kalsineringsovnen, vil kondenseres ved området for kjølerne 27 over toppen av kalsineringsovnen.

Claims (9)

1. Elektrisk kalsineringsovn for kalsinering av faste partikkelformige materialer, særlig karbonmaterialer, hvilken ovn utgjøres av en i det vesentlige sylinderformet vertikal ovn (1) med midler (6) for tilførsel av materiale som skal kalsineres til toppen av ovnen og midler (7) for utmatning av kalsinerte materialer fra bunnen av ovnen, og hvor at kalsineringsovnen er utstyrt med en horisontalt anordnet oppvarmingssone (3) med en rekke i det vesentlige horisontale elektroder (12) anordnet rundt omkretsen av ovnen (3), hvilke elektroder (12) er tilknyttet en strømkilde, karakterisert ved at det mellom strømkilden og elektrodene er anordnet en styreenhet (23) for strømtilførsel hvilken styreenhet er slik innrettet at elektrisk strøm vekselvis tilføres til to og to elektroder (12), mens de øvrige elektrodene (12) er strømløse.

2. Kalsineringsovn ifølge krav 1, karakterisert ved at styreenheten (23) for strømtilførsel til elektrodene (12) er en thyristorstyring.

3. Kalsineringsovn ifølge krav 2, karakterisert ved at thyristorstyringen er slik innrettet at strøm tilføres til to og to elektroder (12) som er definert som par og anordnet rundt omkretsen av oppvarmingssonen (3).

4. Kalsineringsovn ifølge krav 1-3, karakterisert ved at elektrodene (12) utgjøres av grafittelektroder, hvor hver elektrode (12) er anordnet i en gasstett elektrodegjennomføring (15) i veggen av kalsineringsovnen (1).

5. Kalsineringsovn ifølge krav 4, karakterisert ved at elektrodene (12) har et sentralt hull hvori det er anordnet et varmerør (19).

6. Kalsineringsovn i henhold til krav 1-5, karakterisert ved at oppvarmingssonen (3) har en større indre diameter enn den indre diameter av kalsineirngsovnen (1) over og under oppvarmingssonen (15), hvor overgangen mellom sonen over oppvarmingssonen (3) og oppvarmingssonen (3) skråner svakt utover mens den nedre del av oppvarmingssonen (3) skråner sterkt innover slik at det i nederste del av oppvarmingssonen (3) dannes en ringformet flate (14) som skråner innover og nedover.

7. Kalsineringsovn ifølge krav 1-6, karakterisert ved at det mellom hver av elektrodene (12) er anordnet vertikale radielle plater (24), hvilke plater (24) er innrettet til å kjøles ved fordampningskjøling ved at hver av platene har et indre reservoir inneholdende et kjølemedium som er flytende ved driftstemperaturen for platene og som har et kokepunkt ved driftstemperaturen for platene og at hver av platene (24) er utstyrt med et vertikalt rør (25) hvor hulrommet i røret står i kontakt med det indre reservoir i platen (24) for kondensering av damp fra kjølemediet, hvilke rør (25) strekker seg oppover fra platene (24) og til oversiden av kalsineringsovnen (1).

8. Kalsineringsovn ifølge krav 7, karakterisert ved at rørene (25) har langsgående ytre ribber (26) for å øke rørenes (25) ytre overflate.

9. Kalsineringsovn ifølge krav 7, karakterisert ved at hvert av rørene (25) på oversiden av kalsineringsovnen er utstyrt med en kondensator (27).