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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung feinverteilter fester Stoffe
in einer Wirbelschicht Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Behandeln von feinverteilten festen Stoffen in einer Wirbelschicht.
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Die Erfindung ist insbesondere bei Anlagen verwendbar, bei denen
ein Fluidisierungsgas mit feinverteilten festen Stoffen in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden
Schichten kontinuierlich in Berührung gebracht wird, wobei das Abgas aus der in
Fließrichtung der festen Stoffe gesehen letzten Schicht in einer vorhergehenden
Schicht verwendet wird und feste Stoffe aus der letzten Schicht danach mit einem
Gas in Berührung kommen) das von den Schichten ferngehalten werden muß. Ein Beispiel
hierfür ist die direkte Reduktion von Eisenerz, bei der vorerhitztes Eisenerz ständig
in eine erste Schicht eingebracht wird, wo es teilweise reduziert wird, und von
dieser in eine zweite Schicht, wo es vollständiger reduziert wird. Vorerhitztes
Reduktionsgas (beispielsweise Wasserstoff) wird ständig in die zweite Schicht eingeführt
und gelangt von dort im Gegenstrom zum Fließen des Erzes zur ersten Schicht. Reduziertes
Eisenpulver wird von der zweiten Schicht abgegeben, üblicherweise in einem Abstreifturm
behandelt und zu Briketts zusammengepreßt. Ein Abstreifgas, wie etwa Stickstoff,
kommt mit dem Eisenpulver in dem Abstreifturm in Berührung, um Spuren des Reduktionsgases
zu entfernen Dabei muß eine Abdichtung zwischen dem Abstreifturm und den Schichten-vorhanden
sein, und zwar sowohl um Abstreifgas von den Schichten fernzuhalten als auch reduzierendes
Gas aus dem Ahstreifturm.
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Eine Schwierigkeit bei Einrichtungen dieser Art liegt darin, daß
sie übermäßig hoch werden und daher ernsthafte Raum- und Bauprobleme stellen. Das
Höhenproblem ist dort am ausgeprägtesten, wo die Schichten übereinander angeordnet
sind, und solche Anlagen erstrecken sich gewöhnlich auf eine Höhe von ungefähr 60
m über der Erde. Wenn verhältnismäßig grobes Material (weniger als 9 oder 6 mm)
behandelt wird, dann hat der Reaktor, der die letzte Schicht enthält, üblicherweise
einen Bodenauslauf, vorzugsweise in Form eines 'Uberströmausiaufes, um ein Ansarnnleln
von groben Teilchen im Boden der Schicht zu verhüten. Der Bodenauslauf erfordert
dabei eine besondere Abgabevorrichtung, um ein richtiges Niveau der Schicht aufrechtzuerhalten
und um auch eine Abdichtung zu schaffen, um einen Gasstrom zwischen dem folgenden
Behandlungsgefäß (z. B. Abstreifturm) und der Schicht zu verhäuten Der Auslauf,
die Abgabeeinrichtung und das darauffolgende Weiterbehandlungsgefäß erfordern alle
eine noch größere Höhe der Anlage) wenn sie zur Abgabe der festen Stoffe durch Schwerkraft
eingerichtet sind.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung,
um Höhe zu sparen, und ist vorteilhaft bei Anlagen, wo das Höhenproblem die größten
Schwierigkeiten bietet, d. h. wo die Schichten übereinander angeordnet sind. Trotz
der größeren Höhe wird eine solche Einrichtung im allgemeinen denen vorgezogen,
bei denen die Schichten nebeneinanderliegen, da in den ersteren die Handhabung der
Materialien vereinfacht wird. Die Verfahrensweise der Erfindung kann aber auch auf
Anordnungen mit nebeneinanderliegenden Schichten angewendet werden.
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Eine bekannte Einrichtung zum Verringern der Gesamthöhe besteht darin,
daß ein dazwischengeschaltetes Standrohr zwischen dem Bodenablauf und der Abstreifsäule
vorgesehen wird. Das Standrohr und der untere Reaktor bilden die Arme eines U-förmigen
Rohres, wodurch flüssigkeitsstatischer Druck von festen Körpern im Reaktor diese
festen Körper zwingt, in dem Standrohr nach oben zu fließen. Die Dichte einer Masse
im Schwebezustand gehaltener fester Körper steht im umgekehrten Verhältnis zu der
Oberflächengasgeschwindigkeit. Mit Oberflächengasgeschwindigkeit ist dabei die Geschwindigkeit
gemeint, mit der das zugeführte Gas durch den leeren Reaktor oder das Standrohr
strömen würde. Wenn so das den Schwebezustand erhaltende Gas durch das Standrohr
mit einer höheren Oberflächengeschwindigkeit verläuft als durch den unteren Reaktor,
dann überschreitet die Dichte der Schicht in dem Reaktor die der Säule in dem Standrohr,
wodurch die Säule infolge des flüssigkeitsstatischen Druckes, der durch
die
dichtere Schicht ausgeübt.wird, ein Niveau erreichen kann, das sogar hoher ist als
die Schicht. Dies gestattet es, den unteren Reaktor näher am Boden zu bauen, und
zwar um eine Strecke, die ungefähr gleich der Höhe der Säule in dem Standrohr ist,
und dennoch feste Stoffe zu dem Abstreifer abzuführen. Die Gesamthöhe der Anlage
nimmt entsprechend ab.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zur Behandlung der feinverteilten
festen Stoffe diese kontinuierlich einer Wirbelschicht zugeführt und aus ihr über
eine senkrechte, in Schwebe gehaltene Säule der Feststoffe, welche unter dem Einfluß
.des flüssigkeitsstatischen Druckes in der Wirbelschicht angehoben wird, fortlaufend
abgezogen, wobei über der oberen Fläche der Abgabesäule ein Gasdruck aufrechterhalten
wird, der niedriger ist als jener in der Wirbelschicht, um die Höhe der Abgabesäule
über diejenige Höhe Ztl heben,-welche sie unter dem Einfluß des flüssigkeitsstatischen
Druckes allein einnimmt.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise einen schematischen senkrechten
Schnitt durch eine Anlage nach der Erfindung.
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Die Zeichnung zeigt übliche obere und untere Reaktoren 10 und 12,
die innerhalb einer gemeinsamen Umhüllung angeordnet sein können. Der obere Reaktor
10 weist einen waagerechten durchbrochenen Trennboden 13 auf, der eine obere Wirbelschicht
A der festen Stoffe trägt, die ständig durch einen üblichen, nur schematisch gezeigten
Einlaß 14 zugeführt werden. Der untere Reaktor 12 hat einen ähnlichen Trennboden
15, der eine untere Schicht B trägt, die ständig durch Zuführung von Feststoffteilchen
aus der oberen Schicht über ein Zuleitungsrohr 16 ergänzt wird. - Feste Stoffe werden
ständig von der unteren Schicht durch ein am Boden gelegenes Abzugsrohr 17 abgezogen.
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Fluidisierungsgas wird ständig dem unteren Reaktor unter seinem Trennboden
15 durch ein Einlaßrohr 18 zugeführt, und die aufsteigenden Ströme dieses Gases
fluidisieren die Schicht B. Abgas aus dem unteren Reaktor tritt in den oberen Reaktor
unter dessen Trennboden 13 ein und fluidisiert die Schicht A.
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Abgas vom oberen Reaktor strömt durch ein Rohr 19 ab und wird in geeigneter
Weise je nach dem Arbeitsgang behandelt. Im Beispiel der Eisenerzreduzierung würde
dieses Gas regeneriert, um in den Reaktoren wieder verwendet zu werden. Vorzugsweise
sind die oberen und unteren Reaktoren mit Zyklon-Staubabscheidern 20 und 21 versehen,
durch die das Gas ausströmt und die mitgerissenen festen Stoffe abgeschieden und
sie in die entsprechenden Schichten zurückgeführt werden.
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Ein Rohr 22 erstreckt sich aufwärts von dem Abzugsrohr 17 und führt
zu einem Standrohr 23> das eine Verlängerung des Rohres 22 sein kann oder, wie
gezeigt, ein Gefäß von vergrößertem Querschnitt.
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Flüssigkeitsstatischer Druck der unteren Schicht B zwingt feste Körper,
die daraus abgegeben werden, in das Standrohr hinein, wo sie eine Säule C bilden.
Ein Abgaberohr 24 erstreckt sich von dem genannten.
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Standrohr abwärts und führt zu einem üblichen Abstreifturm 25>
der ein Abgaberohr 26 hat. Die Säule C stellt eine Abdichtung dar> um Abstreifgas
von den Schichten abzuhalten. Abgabeventile 27 und 28 liegen in den Abgaberohren
24 und 26. Vorzugsweise arbeiten diese Ventile selbsttätig.
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Wie schematisch in der Zeichnung gezeigt, wird das -Ventil 27 durch
einen Druckunterschied zwischen dem -freien Raum des unteren Reaktors 12 und der
darin befindlichen unteren SchictiSit,8 gesteuert (mit p 1 und
p2 bezeichnet). In
gleicher Weise wird das Ventil 28 durch den Druckunterschied zwischen dem freien
Raum des Abstreifturms 25 und den darin befindlichen Teilchen gesteuert (mit p3
und p4 bezeichnet). Feste Stoffe, die durch das Ventil 28 abgegeben werden, werden
zu irgendeiner beliebigen Behandlungseinrichtung, wie etwa eine Brikettiermaschine
bei der Eisenerzbehandlung, geführt.
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Das Rohr 22 hat an seinem unteren Ende einen Gaseinlaß 29- und vorzugsweise
einen oder mehrere Zwischengaseinlässe 30. Fluidisierungsgas, das sich mit dem Gas
verprägt, das sich in den Reaktoren befindet, wird durch diese Gaseinlässe vorzugsweise
in genügender Menge in das Rohr 22 eingeführt, um eine Oberflächengasgeschwindigkeit
in den Rohren22 und 23 aufrechtzuerhalten, die über die Oberflächengasgeschwindigkeit
in den Reaktoren hinausgeht. So hebt der flüssigkeitsstatische Druck der unteren
Schicht B, unterstützt lediglich durch einen Unterschied in der Dichte, fluidisierte
feste Stoffe in dem Standrohr auf ein höheres Niveau als die Schicht im unteren
Reaktor. Im Beispiel von Eisenerz ist das in das Standrohr eintretende Gas vorzugsweise
von der gleichen Zusammensetzung wie das Reduktionsgas, das in den unteren Reaktor
eintritt, wenn auch von niedrigerer Temperatur. Das Reaktorgas wird normalerweise
auf ungefähr 760 bis 8710 C vorerhitzt, während das Standrohrgas lediglich durch
Druck und durch Wärme -austausch mit Abgas aus dem oberen Reaktor auf eine Temperatur
von ungefähr 149 bis 5380 C erhitzt wird.
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Das Standrohrgas kann auch eine weitere Reduktion des darin enthaltenen
Erzeugnisses hervorrufen. Die größere Dichtigkeit der Schicht im Reaktor gegenüber
der Dichte in der Säule des Standrohres verhütet ebenfalls, daß Gas aus dem Einlaß
29 zu dem Abzugsrohr 17 verläuft.
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Am oberen Ende des Rohres 22 ist vorzugsweise ein normalerweise offenes,
von Hand betätigtes Absperrventil 31 angebracht.
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Die Druckübertragungsleitung 32 ist mit dem oberen Teil des Standrohres
23 und mit irgendeinem Teil des Reduktionssystems jenseits der oberen Schicht verbunden.
In der Darstellung ist die Leitung 32 direkt in den freien Raum des oberen Reaktors
32 eingeführt, obwohl gleichwertige Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Leitung
an einer entfernteren Stelle der Rohrleitung, die das Abgas aus diesem Reaktor ableitet,
angeschlossen wird. Das Gas über der oberen Schicht A befindet sich auf einem geringeren
Druck als das über der unteren Schicht B, da der Druck abfällt, während das Gas
den Widerstand überwindet, der von den unteren Gasabscheidern 21, dem oberen Trennboden
13 und der oberen Schicht gebildet wird. Demgemäß ist der obere Teil der Säule C
im Standrohr einem geringeren Druck ausgesetzt als der obere Teil der unteren Schicht
B. Dieser Druckunterschied zwingt die Säule C, sich auf ein höheres Niveau zu heben,
als durch flüssigkeitsstatischen Druck, unterstützt nur durch Dichtigkeitsunterschiede,
erreicht werden kann.
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Abgas aus dem Standrohr fließt natürlich durch die Leitung 32 und
mischt sich mit dem aus dem oberen Reaktor. Daher ergibt sich die Notwendigkeit,
ein inertes Gas in dem Standrohr zu verwenden. Vorzugsweise enthält das Standrohr
einen Zyklon-Staubabscheider 33, durch den das Abgas verläuft, um mitgerissene feste
Teilchen abzuscheiden und in die Säule zurückzuführen.
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Als ein besonderes Beispiel der Vorteile, die sich bei der Arbeitsweise
gemäß der Erfindung ergeben;
wird ein Gerät beschrieben, das zur
direkten Reduktion von Eisenerz dient. Das Gerät arbeitet mit einer Schicht im unteren
Reaktor, die 3,60 m tief ist und eine Dichte von 31,78 kg/0,028 m3 hat, und einer
Säule in dem Standrohr, die eine Dichte von 28,3 kg/0,028 m3 aufweist. Der Druckunterschied
zwischen dem Boden der unteren Schicht und dem freien Raum über der oberen Schicht
(mit p5 und p6 bezeichnet) beträgt ungefähr 0,7 kg/cm2. Ungefähr 0,4 kg/cm2 dieses
Unterschiedes sind auf das Gewicht der in Schwebe gebrachten festen Stoffe in der
unteren Schicht zurückzuführen und ungefähr 0,3 kg/cm2 auf den Druckabfall, der
besteht, während das Gas bei seinem Durchfluß die verschiedenen Widerstände überwindet.
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Flüssigkeitsstatischer Druck der unteren Schicht zwingt die Säule
der festen Stoffe in dem Standrohr, auf eine Höhe von 4 m (mit h 1 bezeichnet) zu
steigen.
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Es besteht dabei folgende Beziehung: .. 1 h..h Schichtdichte Säulendichte
X Schichttiefe Der größere Druck auf die Oberfläche der unteren Schicht zwingt die
Säule in dem Standrohr, sich um zusätzliche 2,90 m zu heben (mit h2 bezeichnet).
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Zusätzliche Höhe = Druckunterschied (kg/cm2) 144 ZusatzHche Hohe
= . . . . 144.
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Säulendichtigkeit (g/cm5) Gegenüber einer Anordnung, bei der die
Abgabeventile und der Abstreifturm unter dem unteren Reaktor liegen, um feste Stoffe
durch direkten Schwerkraftfluß aufzunehmen, kann die Summe der vorstehend genannten
Höhen oder ungefähr 7 m an Höhe eingespart werden. So kann der untere Reaktor um
7 m näher am Boden gebaut werden, und die Gesamthöhe wird entsprechend verringert.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Behandlung feinverteilter fester
Stoffe in einer Wirbelschicht, der fortlaufend feste Stoffe zugeführt und über eine
senkrechte, in Schwebe gehaltene Säule der Feststoffe, welche unter dem Einfluß
des flüssigkeitsstatischen Druckes in der Wirbelschicht angehoben wird, fortlaufend
abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß über der oberen Fläche der Abgabesäule
(C) ein Gasdruck aufrechterhalten wird, der niedriger ist als jener in der Wirbelschicht,
um die Höhe der
Abgabesäule (C) über diejenige Höhe zu heben, welche sie unter dem
Einfluß des flüssigkeitsstatischen Druckes allein einnimmt.