DE102007009759A1

DE102007009759A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufteilung eines Feststoffstromes

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Publication number: DE102007009759A1
Application number: DE102007009759A
Authority: DE
Inventors: Roger Bligh; Pekka Hiltunen; Cornelis Dr. Klett; Michael Missalla; Bernd Reeb; Lilli Dr. Sacharow; Michael Dr. Ströder; Peter Sturm
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Corp
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: CN101605594B; CN101605594A; WO2008104251A1; EA016828B1; EE200900070A; BRPI0808110A2; EA200901184A1; AU2008221092A1; AU2008221092B2; UA98954C2; US8225936B2; PE20081811A1; US20100163465A1; EE05623B1

Abstract

Zur Aufteilung eines Feststoffstromes, der aus einem Wirbelschichtbehälter abgezogen wird, wird der Feststoffstrom über ein erstes Fallrohr abgeführt und am Boden des ersten Fallrohrs durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases fluidisiert, wobei wenigstens ein Teil des Feststoffstromes über ein von dem Fallrohr abzweigendes erstes Steigrohr nach oben gefördert wird, wobei der verbleibende Teil des Feststoffstromes über ein sich an das erste Fallrohr anschließendes zweites Fallrohr abgeführt und am Boden des zweiten Fallrohrs durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases fluidisiert wird und wobei wenigstens ein Teil des Feststoffstromes über ein von dem zweiten Fallrohr abzweigendes Steigrohr nach oben gefördert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Feststoffstromes, der aus einem Zyklon, Wirbelschichtbehälter oder dgl. abgezogen wird.
Bei der Behandlung körniger Feststoffe, bspw. sulfidisches Zinkerz, Eisenerz, Eisenschwamm oder Aluminiumhydroxid, in einem Wirbelschichtbehälter werden die Feststoffe durch Zufuhr eines Fluidisiergases fluidisiert und entsprechend dem gewünschten Einsatzgebiet behandelt, bspw. geröstet, kalziniert, erhitzt, reduziert, verbrannt, vergast oder gekühlt. Bei der zirkulierenden Wirbelschicht ist dem Wirbelschichtreaktor regelmäßig ein Rückführzyklon nachgeschaltet, aus welchem die Rauchgase nach oben abgeführt, während die behandelten Feststoffe nach unten in den Wirbelschichtbehälter zurückgeführt werden. Ein Teilstrom des Feststoffes wird als Produkt bzw. Reststoff abgezweigt und ggf. einer gewünschten weiteren Behandlungsstufe zugeführt.
In der DE 31 07 711 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Zementklinker beschrieben, bei welchem Zementrohmehl nach Vorwärmung in einem Suspensionswärmetauscher zur Kalzinierung einem Zirkulationssystem zugeführt wird. Das Zirkulationssystem besteht aus einem Wirbelschichtreaktor, einem Rückführzyklon und einer Rückführleitung. In dem Wirbelschichtreaktor wird das Zementrohmehl mit Hilfe von Fluidisierungsgas fluidisiert und unter Verbrennung eines über eine Lanze eingebrachten Brennstoffes kalziniert. Nach Abscheidung der Feststoffe in dem Rückführzyklon wird über eine mit einem Spieß geregelte Entnahmevorrichtung ein kontinuierlicher Materialstrom abgezogen und einem zweiten Zirkulationssystem, das wiederum einen Wirbelschichtreaktor, einen Rückführzyklon und eine Rückführleitung aufweist, zugeführt. In dem zweiten Zirkulationssystem erfolgt die Klinkerung durch Aufheizung mit einer vergleichsweise geringen Brennstoffmenge.
Bei dem in der Entnahmevorrichtung eingesetzten sogenannten Spieß handelt es sich um ein mechanisches Feststoffventil in Form einer Lanze mit einer konusförmigen Spitze, die in eine entsprechende konisch ausgeformte Öffnung der Behälterwand passt. Durch Herausziehen oder Hineinstecken der Lanze in die Öffnung wird der Querschnitt vergrößert bzw. verringert, so dass der Ausfluss gesteuert werden kann. Auf beiden Seiten des Feststoffaustritts herrscht jedoch derselbe Druck, weil der Spieß nur im vollständig geschlossenen Zustand einen Druckabschluss bewirken kann. Im Allgemeinen wird das der Druck der Wirbelschicht auf der Höhe des Feststoffaustrags sein. Falls sich infolge der Schaltung des Prozesses und/oder der jeweiligen betrieblichen Bedingung ein Differenzdruck über den Feststoffaustrag einstellt, ist mit einer Verschlechterung der Regelgüte zu rechnen.
In der EP 0 488 433 B1 ist ein Regelspieß für das Öffnen und Schließen eines Gasdurchlasses näher beschrieben.
Derartige Regelspieße funktionieren zwar in der Praxis, haben aber ihre Schwächen und Nachteile. Zum einen besitzt der Regelspieß mechanisch bewegte Teile, die in Kontakt mit heißem Feststoff stehen. Deshalb muss er per Wasserkühlung gekühlt werden. Hierbei muss der Durchfluss des Kühlwassers sowie die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf überwacht werden. Ab und zu kommt es zu einem Schaden an der Lanze. Dann tritt Wasser aus der Lanze aus und läuft im schlimmsten Fall in den darunter liegenden, feuerfest ausgekleideten Behälter, wodurch dessen Feuerfestauskleidung beschädigt werden kann. Zudem muss die Lanze translatorisch bewegt werden, wobei der Antrieb außen bei Umgebungsdruck sitzt und im Innenraum typischerweise ein Überdruck herrscht. Zur Abdichtung wird eine Stopfbuchse eingesetzt. Fall diese undicht wird, muss mit dem Austritt von heißem Feststoff gerechnet werden, was ein Sicherheitsrisiko darstellt, oder dem Eintritt von Umgebungsluft, was den Prozess stören kann. Um den über den Spieß abgeführten Feststoffstrom einzustellen, ist zwischen der Lanzenspitze und dem wie ein Ventilsitz wirkenden Düsenstein eine exakte Einstellung erforderlich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die hohen Temperaturen nach längeren Betriebszeiten eine Verschiebung der feuerfesten Auskleidung bewirken können, wodurch diese exakte Einstellung verloren gehen kann. Zudem kann es vorkommen, dass nach einem längeren Zeitraum mit geschlossenem Spieß der Feststoff vor der Spießspitze defluidisiert und sich nach dem Öffnen des Spießes nicht bewegt. Dann kann in vielen Fällen mit einer manuell gehandhabten Luftlanze, die durch eine andere Stopfbuchse hindurch bewegt wird, gestochert und gleichzeitig der Feststoff fluidisiert werden. Der Erfolg oder Misserfolg dieses Stocherns kann typischerweise durch ein Schauglas beobachtet werden. Wenn der Feststoff so heiß ist, dass er glüht, sieht man etwas. Ist er jedoch kalt, sieht man nichts und man arbeitet sozusagen blind. Bei heißen Feststoffen ist das den hohen Temperaturen widerstehende Schauglas jedoch sehr teuer. Mit einem Regelspieß lässt sich zudem keine Druckabdichtung über die Regeleinrichtung realisieren. Dies kann zu Gas-/Luftströmen durch den Düsenstein führen, schlimmstenfalls auch entgegen der Richtung der Feststoffströmung, wodurch die Feststoffströmung begrenzt wird oder sogar vollständig unterbunden werden kann.
Ein weiterer Nachteil derartiger Spieße ist, dass sie nur abwärts funktionieren, weil die Schwerkraft benötigt wird, um den Feststoff horizontal durch die Öffnung des Düsensteins zu bewegen.
Das US-Patent 6,666,629 beschreibt ein Verfahren zum Fördern körniger Feststoffe, bei dem der Feststoff mittels eines gasförmigen Mediums aus einer ers ten Zone mit einem Druck von 4 bis 16 bar durch eine fallende Leitung und dann über eine aufsteigende Leitung zu einer zweiten Zone mit einem um 3 bis 15 bar niedrigeren Druck als in der ersten Zone gefördert wird. Der Zustrom des gasförmigen Mediums erfolgt durch eine aufwärts gerichtete Düse an der Stelle, an der die fallende Leitung in die aufsteigende Leitung mündet.
Auch aus der WO 01/28900 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Feststoff durch ein Fallrohr zu einer aufsteigenden Leitung geführt wird, durch welche es mit Hilfe von Fördergas gefördert und dann nach Umlenkung unten abgezogen wird. Der Feststoff wird sowohl in der fallenden Leitung als auch in dem Steigrohr über die ganze Länge fluidisiert und dadurch wie eine Flüssigkeit in kommunizierenden Röhren per Schwerkraft gefördert.
Die US 2005/0058516 A1 beschreibt eine Vorrichtung für den Transport feinkörniger Feststoffe mit geregelter Strömungsrate, wobei die Feststoffe durch die Schwerkraft zunächst durch ein Fallrohr abwärts strömen und dann über eine schräge Transferleitung mittels der Eindüsung eines Sekundärgases zu einem Steigrohr transportiert werden, in welches von unten Luft eingeführt wird, um die Partikel nach oben. zu fördern. Das Fallrohr und das Steigrohr sind dementsprechend nicht direkt miteinander verbunden.
Den letztgenannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, dass keine Aufteilung des Feststoffstromes erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache und zuverlässige Aufteilung eines Feststoffstroms zu ermöglichen. Gleichzeitig soll ein zuverlässiger Druckabschluss gewährleistet werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der aus dem Wirbelschichtbehälter oder dgl. abgezogene Feststoffstrom über ein erstes Fallrohr abgeführt und am Boden des ersten Fallrohres durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert wird, wobei wenigstens ein Teil des Feststoffstromes durch das Fördergas über ein von dem Fallrohr abzweigendes erstes Steigrohr nach oben gefördert wird, wobei der verbleibende Teil des Feststoffstroms über ein sich an das erste Fallrohr anschließendes zweites Fallrohr abgeführt und am Boden des zweiten Fallrohres durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert wird, und wobei wenigstens ein Teil dieses Feststoffstromes durch das Fördergas über ein von dem zweiten Fallrohr abzweigendes zweites Steigrohr nach oben gefördert wird. Durch die erste Fallrohr-/Steigrohranordnung, die auch als "Sealpot" bezeichnet wird, erfolgt somit eine Aufteilung des Feststoffstroms, ohne dass bewegliche Teile der Vorrichtung in direkten Kontakt mit dem heißen Feststoff treten. Der über das erste Steigrohr geförderte Teilstrom kann zu dem Wirbelschichtbehälter zurückgeführt werden, während der verbleibende Feststoffstrom abgeführt oder einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Zufuhr des Fördergases am Boden des ersten und/oder des zweiten Fallrohres über eine Regeleinrichtung variiert. Insbesondere ist hierbei von Bedeutung, dass die Fördergaszufuhr am Boden des zweiten Fallrohrs variiert wird. Hierdurch wird der durch das zweite Steigrohr abgeführte Feststoffmassenstrom bestimmt. Der Feststoffmassenstrom durch das erste Steigrohr stellt sich dann automatisch ein, wobei das erste Steigrohr und dessen Fördergasstrom so ausgelegt sein sollte, dass der gesamte Feststoffstrom abgeführt werden kann, falls die zweite Förderstrecke ganz abgeschaltet wird. Selbstverständlich kann zusätzlich eine Variabilität der Fördergaszufuhr am Boden des ersten Fallrohrs vorgesehen sein, bspw. um den Bedarf an Förderluft und damit Gebläseleistung zu minimieren. Alternativ könnte auch nur die Fluidisierung des ersten Steigrohres variiert werden, wobei das zweite Steigrohr dann alles abtransportieren muss, was das erste nicht abführt.
Als Regelgröße für die Zufuhr des Fördergases zu einem der Fallrohre kann erfindungsgemäß die Druckdifferenz über dem Wirbelschichtbehälter verwendet werden. Alternativ kann auch eine Ultraschallmessung des Feststoffniveaus oder eine Gewichtsmessung des Feststoffbehälters vorgenommen werden. Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, das Volumenstromverhältnis zwischen dem Fördergas zum ersten Steigrohr und dem Fördergas zum zweiten Steigrohr zu variieren, wenn z. B. die Summe dieser beiden Volumenströme konstant wäre.
In einer stationären Wirbelschicht verhält sich die fluidisierte Feststoffschüttung wie eine Flüssigkeit und erzeugt somit einen hydrostatischen Druck, der proportional zur Höhe des Wirbelbetts ist. Im Fall einer zirkulierenden Wirbelschicht ist ein Niveau nicht definiert, weil das Wirbelbett den gesamten Wirbelschichtreaktor ausfüllt. Die Druckdifferenz ist dann dem Feststoffinventar des Wirbelschichtreaktors proportional. Das Druckdifferenzsignal wird erfindungsgemäß genutzt, um über einen Regelkreis ein Regelventil anzusteuern und dadurch die Zufuhr des Fördergases zu bestimmen. Wird die Druckdifferenz im Wirbelschichtbehälter zu groß, so wird das Ventil für das Fördergas des zweiten Steigrohrs weiter geöffnet und der Fördergasstrom erhöht, so dass über das zweite Steigrohr mehr Feststoff aus dem System entfernt wird, während das erste Steigrohr weniger Feststoff in die Wirbelschicht zurückführt. Sinkt die Druckdifferenz, so wird der Fördergasstrom zum zweiten Steigrohr verringert, was zu einer entsprechenden Verringerung des Festmassenstromes im zweiten Steigrohr und damit zu einem Anstieg des Niveaus in der Wirbelschicht führt.
Nachdem sich bei einer Regelung des Differenzdrucks im Wirbelschichtreaktor durch Variation der Fördergaszufuhr zu dem zweiten Fallrohr der über das erste Steigrohr abgeführte Massenstrom von selbst regelt, kann die Zufuhr des Fördergases am Boden des ersten Fallrohres gemäß einer bevorzugten Weiter bildung, konstant gehalten werden. Dazu muss dieser Fördergasstrom natürlich ausreichend bemessen sein, um den maximal zu erwartenden Gesamt-Feststoffmassenstrom durch das erste Steigrohr fördern zu können.
Die Druckdifferenz zwischen dem Boden und dem Kopf jedes Fallrohrs wird erfindungsgemäß kleiner gehalten als der einem fluidisierten Fallrohr entsprechende Druckverlust. Sofern, wie ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, der Druck am Boden des ersten und/oder des zweiten Fallrohres größer gehalten wird als der Druck am Kopf dieses Fallrohrs, verhält sich der Feststoff im Fallrohr wie eine herabsinkende Schüttung mit einer Porosität nahe der eines Festbetts. Im Fallrohr liegt somit ein nicht fluidisiertes, durchströmtes Wanderbett vor.
Die Druckdifferenz des ersten Fallrohres ΔP_D1 ist hierbei definiert durch ΔPD1 = ΔPR1 + PR1,K – PZ0 > 0 (1)
Die Druckdifferenz des zweiten Fallrohres ΔP_D2 ist definiert durch ΔD2 = ΔPR1 + PR1,K – ΔPR2 – PR2,K > 0 (2)
Hierbei ist ΔP_R1 der Druckverlust über dem ersten Steigrohr, der von dem Fördergasstrom und dem Feststoffmassenstrom abhängig ist. Der Druckverlust des ersten Steigrohres ergibt sich als Funktion von Feststoffmassenstrom und Fördergaszufuhr.
P_R1,K ist der Druck am Kopf des ersten Steigrohres, welcher bei einer Rückführung von Feststoff in eine Wirbelschicht meist gleich dem Druck in der Wirbelschicht an der Stelle ist, an der das erste Steigrohr an den Wirbelschicht behälter angeschlossen ist. Dieser Druck muss nicht konstant sein, weil er beispielsweise von dem variablen Feststoffinventar des Wirbelschichtbehälters abhängt., Der Druck kann auch wesentlich höher sein als der Umgebungsdruck. Mündet das zweite Steigrohr in einen Entspannungsbehälter, so herrscht dort in vielen Fällen Umgebungsdruck. Der Druck kann aber variieren, z. B. wenn die Abluftabsaugung einer Fluidisierrinne zu stark ist und ein Unterdruck entsteht. Ist dem zweiten Steigrohr ein weiterer Prozessteil nachgeschaltet, so kann der Druck P_R2,K auch wesentlich höher sein als der Umgebungsdruck, bspw. auch höher als der Druck in der Wirbelschicht.
Bei einer Rückführung von Feststoff in einen Wirbelschichtbehälter muss zusätzlich noch der Druck P_Z0 im Konus des Rückführzyklons am Anschluss zum ersten Fallrohr berücksichtigt werden. Dieser Druck ist vom Anlagenverhalten des Zyklons bzw. eventuell vorgeschalteter weiterer Apparate abhängig. Somit stellt sich die Druckdifferenz ΔP_D1 über das erste Fallrohr automatisch ein.
Die Druckdifferenz ΔP_D2 ergibt sich als Differenz aus dem Gegendruck vom ersten Steigrohr (Summe aus dem Druck am Kopf des ersten Steigrohres und dem Druckverlust über das erste Steigrohr) und dem Druckverlust ΔP_R2 des zweiten Steigrohres plus dem Druck am Kopf des zweiten Steigrohres P_R2,E. Diese Druckdifferenz ist somit abhängig von dem Druck am Fuß des ersten Steigrohres und am Kopf des zweiten. Da der Fördergasstrom des zweiten Steigrohres variiert, ergibt sich die Druckdifferenz des zweiten Steigrohres als Funktion vom Fördergasstrom.
Für beide Fallrohre gilt, dass die Druckdifferenzen außerdem nicht größer werden dürfen als die, die sich einstellen würde, wenn sie fluidisiert wären. Dies würde bedeuten, dass sich die Porosität im Fallrohr vergrößern würde und der Gegendruck aus dem Steigrohr, oder auch aus dem Wirbelschichtbehälter nicht mehr zuverlässig abgedichtet werden könnte. Hierfür gilt ΔPD1 < ΔPDi,max = (1 – εmf)·ρs·g·HDi (2)wobei

ε_mf: = Porosität des Feststoffs im Festbettzustand
ρ_s: = Feststoffdichte
g: = Erdbeschleunigung
H_Di: = Höhe des jeweiligen Steigrohres i

Unter diesen Bedingungen wirkt die Schüttung im Fallrohr als Druckabschluss und der Druck am Kopf des Steigrohres ist entkoppelt vom Druck am Eintritt des Fallrohres. Ferner kann nun der geförderte Feststoffmassenstrom oder die Schichthöhe bzw. das Feststoffinventar im Wirbelschichtbehälter durch Variierung der Förderluft am zweiten Steigrohr eingestellt bzw. geregelt werden. Das Fördergas, bspw. Luft, strömt zum größeren Teil in den Steigrohren aufwärts und transportiert so viel Feststoff nach oben, wie ihrer Tragfähigkeit entspricht. Ein kleinerer Teil des Fördergases durchströmt das Wanderbett in den Fallrohren und verursacht dadurch den Druckverlust in den Fallrohren.
Die Förderluft wird unterhalb des ersten und zweiten Steigrohres über jeweils wenigstens eine Fördergasdüse zugeführt. Hierfür kann grundsätzlich jede geeignete Düse oder Gaszuführung vorgesehen sein, bspw. eine Kappendüse oder eine aufwärts gerichtete Düse, an deren oberen Ende bspw. ein poröses gasdurchlässiges Medium, z. B. eine Membran, angeordnet sein kann, das von dem Fördergasstrom durchströmt wird oder beispielsweise ein passend angeordneter Lochboden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Fördergas unterhalb des Steigrohres über wenigstens eine abwärts gerichtete Düse zugeführt. Hierdurch kann eine Verstopfung der Düse zuverlässig vermieden werden.
Bei bestimmten Anwendungen kann es nötig sein, dass in dem Wirbelschichtbehälter und dem Austragsbehälter des zweiten Steigrohrs unterschiedliche Gasatmosphären eingestellt werden sollen. Eine Vermischung dieser Gasatmosphären ist dann in der Regel unerwünscht. Um eine Gassperre zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Austragsbehälter des zweiten Steigrohrs zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß als Fördergas ein drittes Gas, vorzugsweise ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff eingesetzt.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Fördergasstrom insbesondere in das zweite Fallrohr stark verringert werden. In diesem Fall ergibt sich eine zuverlässige Unterbrechung des Feststoffmassenstroms durch die starke Verringerung des Fördergasstromes im zweiten Steigrohr. Versuche haben gezeigt, dass auch bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Kopf des zweiten Steigrohrs der Feststoff nicht mehr weiter fließt, sobald der Fördergasstrom kleiner wird als er für eine Minimalfluidisierung im Steigrohr erforderlich wäre. Im zweiten Steigrohr stellt sich dann ein durchströmtes Festbett ein. Diese Durchströmung garantiert die Trennung der Gasatmosphären zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Steigrohrkopf, die je nach Anwendung erforderlich sein kann. Wird der Fördergasstrom ganz unterbrochen, so verbleibt der Feststoff in den Steigrohren ebenfalls als Festbett. Allerdings kann es dann zur Durchströmung mit dem Gas aus einem der Behälter kommen, weil das Gas vom höheren zum niedrigeren Druck strömt. Für den jeweiligen Anwendungsfall ist zu entscheiden, ob das nachteilig ist.
Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Anordnung alle fluidisierbaren Feststoffe transportiert werden. Im Allgemeinen sollte die Partikelgröße des zu fördernden Feststoffes jedoch nicht größer als 10 mm, vorzugsweise nicht größer als 3 mm und insbesondere nicht größer als 0,3 mm sein. Eisenerz wird bspw. mit einer Korngröße bis etwa 10 mm verarbeitet, Kunststoffgranulat hat vorzugsweise eine Korngröße von 2 bis 6 mm, während Alumina vorzugsweise mit einer Korngröße < 0,3 mm verarbeitet wird.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Feststoffstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Die Variation insbesondere der zweiten Fördergaszufuhr erfolgt erfindungsgemäß über ein Regelventil, wobei die Öffnungsstellung des Regelventils über einen Regelkreis bspw. die Druckdifferenz über dem Wirbelschichtbehälter regelt.
Die Zufuhr des Fördergasstroms erfolgt erfindungsgemäß über wenigstes eine, vorzugsweise abwärts geneigte Düse. Alternativ kann die Zufuhr des Fördergasstromes auch über ein Fluidisiertuch oder ein sonstiges poröses Medium erfolgen.
Die Fallrohre sind erfindungsgemäß um nicht mehr als 45° zur Vertikalen geneigt, um ein allmähliches Herabsacken des Feststoffs in den Fallrohren ohne Fluidisierung zu ermöglichen.
Dem gegenüber sind die Steigrohre vorzugsweise etwa vertikal angeordnet. Hierdurch wird der Austrag des Feststoffs durch die Steigrohre erleichtert.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Höhe insbesondere des zweiten Steigrohrs größer als die Höhe des zugeordneten Fallrohrs oder sogar zusätzlich größer als die Höhe des ersten und zweiten Fallrohres zusammen. Somit kann mit der Erfindung auch Höhe gewonnen werden, d. h. der Feststoff kann nach oben gefördert werden. Dies hat im Anlagenbau große Vorteile, weil die ver schiedenen Prozessstufen nicht mehr übereinander gebaut werden müssen, sondern auch nebeneinander aufgestellt werden können. Hierdurch werden Bauhöhe und damit Kosten gespart.
Um das gewünschte Strömungsregime in den Steigrohren einstellen zu können, das dem einer dichten Wirbelschicht sehr ähnlich ist, sollten die Durchmesser der Fallrohre größer/gleich dem Durchmesser der zugeordneten Steigrohre sein. Vorzugsweise sollten die Durchmesser der Fallrohre das 1,5 bis 3 fache des Steigrohrdurchmessers betragen, üblicherweise doppelt so groß wie die Durchmesser der zugeordneten Steigrohre sein. Es ist dabei nicht notwendig, dass beide Fallrohre denselben Durchmesser haben. Vielmehr kann es sinnvoll sein, das zweite Fallrohr mit kleinerem Durchmesser auszuführen als das erste. Auch die beiden Steigrohre können unterschiedliche Durchmesser haben und auch unterschiedlich lang sein. Weiterhin ist es nicht nötig, dass die Fall- oder Steigrohre immer zylindrisch sind. Auch ovale, eckige etc. Ausführungsformen sind möglich. Der Durchmesser bezieht sich dann immer auf einen äquivalenten Durchmesser eines querschnittsflächengleichen runden Rohres. Es ist auch möglich, dass sich die Durchmesser oder Formen der Fall- und Steigrohre während ihres Verlaufes ändern.
Das erste Steigrohr mündet bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zur Rückführung des Feststoffstroms, ggf. nach einer Umlenkung mittels eines Krümmers oder dgl., in den Wirbelschichtbehälter.
Das zweite Steigrohr kann dagegen je nach Anwendungsfall in einen Austragstopf oder eine weitere Prozessstufe münden. Wird keine Rückführung in den Wirbelschichtbehälter gewünscht, kann auch das erste Steigrohr in einen Austragstopf oder eine weitere Prozessstufe münden.
Die Temperatur des Feststoffs in den Fallrohren und/oder Steigrohren kann erfindungsgemäß dadurch beeinflusst werden, dass im Fallrohr und/oder im Steigrohr Wärmetauscher vorgesehen sind. Bei innenliegenden Wärmetauschern muss der Durchmesser der Steigrohre so angepasst werden, dass die freien Querschnittsflächenverhältnisse zwischen Fall- und Steigrohr wieder den benötigten Relationen entsprechen. Alternativ können die Fallrohre und/oder Steigrohre auch selbst als Wärmetauscher ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung sind dem ersten Fallrohr mehrere weitere Fallrohre nachgeschaltet, an deren Boden jeweils Fördergas zugeführt wird, um einen Teilstrom des Feststoffs über ein von dem jeweiligen Fallrohr abzweigendes Steigrohr nach oben abzuführen. Diese in Reihe geschalteten weiteren Sealpots sind im Wesentlichen so aufgebaut wie der erste Sealpot. Hierbei können die weiteren Steigrohre von einem gemeinsamen Fallrohr an verschiedenen oder gleichen Höhen abzweigen. Bei Abzweigung in verschiedenen Höhen kann das gemeinsame Fallrohr dann stückweise im Durchmesser reduziert werden, entsprechend den einzelnen Feststoffmassenströmen.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens können dem ersten Fallrohr mehrere weitere Fallrohre parallel nachgeschaltet sein. Dies kann bspw. über ein Y-Stück erfolgen, welches den aus dem ersten Fallrohr nach unten austretenden Feststoffstrom in zwei Teilströme aufteilt. In einem solchen Fall können mit Hilfe der Erfindung dann mehrere Größen geregelt werden. So kann beispielsweise im Fall von vier separaten Fallrohren einerseits das Niveau im Wirbelschichtbehälter durch Variation der Fördergaszufuhr zum ersten der weiteren Steigrohre geregelt werden, während in den Austragsbehältern der zweiten, dritten und vierten weiteren Steigrohre drei Niveaus und/oder Mischtemperaturen geregelt werden. Dabei können alle Steigrohrdurchmesser unterschiedlich sein und alle Steigrohrköpfe auf unterschiedlichen Niveaus liegen und unterschiedliche Drücke haben. Die Drücke an den Steigrohrköpfen können außerdem unterschiedlich sein von dem Druck am Eintritt der Fallrohre. Zudem können die Gasatmosphären in dem Wirbelschichtbehälter und den vier Austragsbehältern unterschiedlich sein und es sind Gassperren zwischen allen fünf Behältern möglich. Es ist hierbei auch möglich eines oder mehrere der Fallrohre üblicherweise nicht zu nutzen und nur als Zusatzförderung bei Überschreitung eines kritischen Feststoffniveaus im Wirbelschichtbehälter zu verwenden. Eine Umschaltung zwischen verschiedenen Empfangsbehältern des aus der Wirbelschicht abgeführten Feststoffs war bisher lediglich über eine mechanische Weiche möglich. Mit der Erfindung wird der Kontakt beweglicher Teile mit dem heißen Feststoff vermieden und der hiermit verbundene Verschleiß, der zu einer Reduzierung der Regelgenauigkeit bzw. erhöhtem Wartungsaufwand führt, vermieden.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
2 schematische ein Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Feststoffstromes, der aus dem Rückführzyklon 6 einer zirkulierenden Wirbelschicht (ZWS) abgezogen wird, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Anstelle des Rückführzyklons 6 kann auch ein anderer Feststoffe enthaltender Behälter eingesetzt werden. Wesentlich ist vor allem, dass in dem Behälter fluidisierbare Feststoffe aufgenommen sind.
In einem Wirbelschichtbehälter 1 ist eine Wirbelschicht aus vorzugsweise feinkörnigen Feststoffen, bspw. Aluminiumoxid, Eisenerz oder Kunststoffgranulaten, mit einer mittleren Korngröße unter 10 mm, vorzugsweise von 0,01 bis 5 mm und insbesondere von 0.05 bis 1 mm, aufgenommen.
Die Feststoffe werden über eine Zufuhrleitung 2 in den Wirbelschichtbehälter 1 eingeführt. Die Wirbelschicht wird mit Hilfe von Primärluft, die über eine Leitung 3 einem Gasverteiler zugeführt wird und die Wirbelschicht von unten durchströmt, fluidisiert. Über eine Leitung 4 wird Brennstoff zugeführt.
Die wärmebehandelten Feststoffe werden über eine Austragsleitung 5 einem Rückführzyklon 6 zugeführt, in welchem die Rauchgase abgeschieden und über eine Leitung 7 nach oben abgeführt werden.
Am Boden des Rückführzyklons 6 wird der Feststoffstrom ṁ₀ über eine erste, höchstens um 45° zur Vertikalen nach unten geneigte, fallende Leitung, die auch als erstes Fallrohr 8 oder erster Downer bezeichnet wird, abgeführt. Von dem ersten Fallrohr 8 zweigt eine erste, im Wesentlichen vertikal nach oben gerichtete Leitung, die auch als erstes Steigrohr 9 oder erster Riser bezeichnet wird, ab. Das erste Steigrohr führt zurück in den Wirbelschichtbehälter 1. Der Durchmesser des ersten Steigrohrs 9 ist etwa halb so groß wie der Durchmesser des ersten Fallrohrs 8.
Unterhalb des ersten Steigrohrs 9 wird in den hier als Boden 10 des ersten Fallrohrs 8 definierten Bereich des Fallrohrs 8 über wenigstens eine Düse 11 ein Fördergas eingeführt, um den Feststoffstrom in dem ersten Steigrohr 9 zu fluidisieren. Als Fluidisierungsgas kann grundsätzlich jedes geeignete Fördergas verwendet werden. Vorzugsweise wird ein drittes, insbesondere Luft oder inertes Gas, wie Stickstoff, eingesetzt, um die Trennung der Gasatmosphären zwischen der Wirbelschicht und dem Kopf des Steigrohrs zu gewährleisten. Der Einfachheit halber wird das Fördergas nachfolgend als "Treibluft" bezeichnet. Es können mehrere Düsen 11 vorgesehen sein, um die Treibluft zuzuführen. Die Düse 11 ist nicht auf die dargestellte Form einer aufwärts gerichteten Düse beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, eine Kappendüse oder eine abwärts gerichtete Düse oder eine Düse mit einem an ihrem Ende vorgesehenen porösen Körper, der ein Verstopfen der Düse verhindern soll, vorzusehen. Auch besteht die Möglichkeit, das Fördergas über ein Fluidisiertuch oder sonstiges poröses Medium zuzuführen, das am Boden des Fallrohrs über einem hier nicht dargestellten Gasverteiler angeordnet wird. Der Fachmann kann alle ihm bekannten Maßnahmen zur geeigneten Fluidisierung des Feststoffs am Boden des Fallrohres 6 einsetzen.
An den Boden 10 des ersten Fallrohrs 8 schließt sich nach einem Übergangsstück 12 ein zweites, ebenfalls um etwa 45° nach unten geneigtes Fallrohr 13 an. Auch wenn das erste Fallrohr 8 somit nach unten nicht verschlossen ist, wird der Bereich unterhalb des Eintritts (Fußes) des ersten Steigrohrs 9 vor dem Übergang in das zweite Fallrohr 13 hier als "Boden" des ersten Fallrohrs 8 bezeichnet.
Am Boden 14 des zweiten Fallrohrs 13 zweigt von diesem ein zweites Steigrohr 15 ab, das sich im Wesentlichen vertikal nach oben erstreckt. Es ist jedoch auch eine gewisse Neigung des Steigrohres möglich. Der Durchmesser des zweiten Steigrohrs 15 ist etwa halb so groß wie der Durchmesser des zweiten Fallrohrs 13. Das zweite Steigrohr 15 mündet nach Umlenkung über einen Krümmer 16 in einen Entspannungsbehälter 17, der fluidisiert sein kann. Alternativ ist es mög lich, dass das zweite Steigrohr 15 in einen Austragstopf mündet, aus welchem der Feststoff über eine Schurre abfließen kann, oder dass der Feststoffstrom einer weiteren Prozessstufe zugeführt wird.
Unterhalb des Fußes des zweiten Steigrohrs 15 mündet nahe dem Boden 14 des zweiten Fallrohrs 13 wenigstens eine Düse 18 für die Zufuhr von Treibluft. In der die Düse 18 mit Treibluft versorgenden Leitung 19 ist ein Regelventil 20 zur Variation der Treibluftzufuhr angeordnet. Als Regelgröße für das Regelventil 20 dient die Druckdifferenz über dem Wirbelschichtbehälter 1, die beispielsweise mit Hilfe eines Differenzdruckaufnehmers 21 ermittelt wird. Das Feststoffinventar des Wirbelschichtbehälters 1 kann jedoch beispielsweise auch durch die Wägung des Feststoffbehälters erfasst werden oder durch die Messung der Verformung eines unterstützenden Stahlbaugerüsts, so dass die hieraus gewonnenen Werte ebenfalls als Regelgröße verwendet werden können.
Die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut. Nachfolgend werden ihre Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise erläutert.
Über die Feststoffzufuhrleitung 2 wird dem Wirbelschichtbehälter 1 ein zu behandelnder Feststoff, bspw. Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) zugeführt, welcher in dem Wirbelschichtbehälter 1 durch die über die Leitung 3 zugeführte Primärluft fluidisiert und durch Verbrennung des über die Brennstoffleitung 4 zugeführten Brennstoffs kalziniert wird. Das entstehende Aluminiumoxid (Al₂O₃) wird über die Austragsleitung 5 in den Rückführzyklon 6 überführt, in dem die Feststoffe von dem über die Leitung 7 abgeführten Rauchgas getrennt werden. Die Feststoffe sammeln sich am Boden des Rückführzyklons 6 und sacken über das erste Fallrohr 8 zum Boden 10 des Fallrohrs. Durch Zugabe von Treib- oder Förderluft unterhalb der Eintrittsöffnung in das erste Steigrohr 9 wird ein Teil strom ṁ₁ im Steigrohr 9 nach oben befördert und in den Wirbelschichtbehälter 1 zurückgeführt.
Der verbleibende Teilstrom ṁ₂ des Feststoffstroms fließt durch das Übergangsstück 12 und das zweite Fallrohr 13 zum Boden 14 des zweiten Fallrohrs 13. Durch Zugabe von Treib- oder Förderluft unterhalb der Eintrittsöffnung in das zweite Steigrohr 15 wird der Feststoff im zweiten Steigrohr 15 nach oben befördert und tritt über den Krümmer 16 in den Entspannungsbehälter 17 aus.
Die Menge des durch das zweite Steigrohr 15 geförderten Feststoffstroms ṁ₂ kann durch die Zufuhr der Treibluft variiert werden. Diese Zufuhr wird mit Hilfe des Regelventils 20 auf der Basis der Druckdifferenz in dem Wirbelschichtbehälter 1 geregelt. Soweit der Feststoffstrom nicht durch das zweite Steigrohr 15 abtransportiert wird, staut er sich in dem zweiten Fallrohr 13 auf und bildet ein durchströmtes Festbett. Der übrige Feststoffstrom ṁ₁ = ṁ₀ – ṁ₂ wird nach Fluidisierung über die durch die Düse 11 zugeführte Treibluft über das erste Steigrohr 9 in den Wirbelschichtbehälter 1 zurückgeführt. Das erste Steigrohr 9 muss hierbei so ausgelegt werden, dass es auch den vollständigen Feststoffstrom ṁ₀ aus dem ersten Fallrohr 8 in den Wirbelschichtbehälter 1 zurückführen kann, falls über das zweite Fallrohr 13 und das zweite Steigrohr 15 kein Feststoff abtransportiert wird. Die Einstellung des Teilstroms ṁ₁ erfolgt somit automatisch in Abhängigkeit von dem über das zweite Steigrohr 15 abgeführten zweiten Teilstrom ṃ₂. Somit ist in dem System lediglich eine Regelung der Treibluftzufuhr durch die Düse 18 unterhalb des zweiten Steigrohrs 15 notwendig. Die Treibluftzufuhr durch die Düse 11 unterhalb des ersten Steigrohrs 9 kann demgegenüber konstant bleiben.
Der Feststoff im Fallrohr verhält sich wie eine herabsinkende Schüttang mit einer Porosität nahe der eines Festbetts. Sinkt der Fördergasstrom durch die Düse 18 und damit der Feststoffmassenstrom im zweiten Steigrohr 15, so fließt auch bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Wirbelschichtbehälter 1 und dem Kopf des zweiten Steigrohrs 15 der Feststoff nicht mehr weiter, sobald der Fördergasstrom kleiner wird als es der Minimalfluidisierungsgeschwindigkeit im zweiten Steigrohr 15 entspricht. Im zweiten Fallrohr 13 und im zweiten Steigrohr 15 stellt sich dann ein durchströmtes Festbett ein. Diese Durchströmung garantiert die Trennung der Gasatmosphären zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Kopf des Steigrohrs, die je nach Anwendung erforderlich sein kann.
Der Feststoffmassenstrom in dem zweiten Steigrohr 15, dessen Fördergasvolumenstrom als Stellgröße zur Regelung des Feststoffinventars des Wirbelschichtreaktors 1 angeschlossen ist, steht in einer definierten Beziehung zu dem Fördergasvolumenstrom selbst. Wenn man vor dem entsprechenden Regelventil 20 eine Durchflussmessung für das Fördergas verwendet, kann deshalb von dem gemessenen Fördergasvolumenstrom auf den Feststoffmassenstrom geschlossen werden. Die Feststoffverweilzeit eines Feststoffbehälters, beispielsweise auch eines Wirbelschichtreaktors ergibt sich aus dem Verhältnis von Feststoffinhalt zu Feststoffdurchsatz. Weil bei einer Schaltung wie in 1 der Feststoffmassenstrom des zweiten Steigrohrs 15 – abgesehen von Regelschwankungen – identisch ist zum Feststoffdurchsatz des Wirbelschichtreaktors, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar die Feststoffverweilzeit bestimmt und geregelt werden. Wenn z. B. der üblicherweise konstante Feststoffeintrag in den Wirbelschichtreaktor zu einem bestimmten Zeitpunkt verdoppelt wird, muss auch das Inventar in dem Wirbelschichtreaktor verdoppelt werden, wenn die Feststoffverweilzeit konstant gehalten werden soll. Selbst wenn der Feststoffeintrag in den Wirbelschichtreaktor nicht gemessen wird, kann man aus dem Anstieg des Feststoffmassenstroms im zweiten Steigrohr schließen, dass der Durchsatz des Systems verdoppelt wurde. Zum Konstanthalten der Feststoffverweilzeit wird dann der Sollwert des Regelkreises für das Reaktorinventar verdoppelt. Es stellt sich dann nach einer Übergangsperiode die doppelte Druckdifferenz des Wirbelschichtreaktors ein. Statt des Feststoffinventars in der Wirbelschicht kann also auf diese Weise sogar die Verweilzeit der Feststoffe in der Wirbelschicht geregelt werden.
Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann auch zusätzlich die Luftzufuhr durch die erste Düse 11 variiert werden. Zwischen dem Rückführzyklon 6 und dem ersten Fallrohr 8 wird ein Behälter (vorzugsweise fluidisiert) angeordnet, in dem das Feststoffniveau durch Variation des Gasstroms durch die Düse 11 geregelt wird. Die Messung des Niveaus in diesem Behälter kann z. B. wiederum durch eine Differenzdruckmessung erfolgen. Das hat den Vorteil, dass das Fallrohr 8 immer vollständig gefüllt ist, und erlaubt die Abschätzung des Massenstroms ṁ₁: je größer er ist, desto mehr Treibluft wird benötigt, um ihn im ersten Steigrohr 9 zu fördern. Da der Massenstrom ṁ₂ über die Treibluft am zweiten Steigrohr 15 abgeschätzt werden kann, wird auch die Berechnung des umlaufenden Massenstroms ṁ₀ möglich. Das war bei kommerziellen ZWS-Systemen bisher nie der Fall. Außerdem wird immer nur so viel Treibluft zugegeben wie im aktuellen Fall gerade notwendig. Wenn man den Treibluftstrom nicht über ein Regelventil variiert, sondern durch die Gebläsedrehzahl, spart das Strom für das Gebläse..
Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mehrere Fallrohr-/Steigrohranordnungen (Sealpots) hintereinander angeordnet. Aus einem Wirbelschichtbehälter 30 zweigt in einem festgelegten Abstand vom Verteilerboden des Gasverteilers (d. h. oberhalb oder auf seiner Höhe) ein erstes Fallrohr 31 ab, über welches ein Feststoffmassenstrom ṁ₀ aus dem Wirbelschichtbehälter 30 abgeführt wird. Nahe dem Boden 32 des ersten Fallrohrs 31 zweigt ein sich im Wesentlichen vertikal nach oben erstreckendes erstes Steigrohr 33 ab, das über einen Krümmer 34 in einen ersten Entspannungsbehälter 35 mündet. Unterhalb des Eintritts des ersten Steigrohrs 33 wird über eine erste Düse 36 Treibluft zugeführt, über welche der Feststoff im ersten Steigrohr 33 fluidisiert und nach oben transportiert wird. Die Treibluftzufuhr über die erste Düse 36 wird mittels eines ersten Regelventils 37 variiert.
An den Boden 32 des ersten Fallrohrs 31 schließt sich ein zweiter Sealpot S₂ an, mit einem zweiten Fallrohr 38 und einem von diesem abzweigenden zweiten Steigrohr 39, welches über einen Krümmer 40 in einen zweiten Entspannungsbehälter 41 mündet. Unterhalb des Eintritts des zweiten Steigrohrs 39 wird über eine zweite Düse 42 Treibluft zugeführt, um den Feststoff in dem zweiten Steigrohr 39 zu fluidisieren und nach oben abzuführen. Die Treibluftzufuhr über die zweite Düse 42 wird mittels eines zweiten Regelventils 43 variiert.
An den zweiten Sealpot S₂ schließt sich ein dritter Sealpot S₃ an, mit einem an den Boden des zweiten Fallrohrs 38 anschließenden dritten Fallrohr 44 und einem von diesem abzweigenden, vertikal nach oben aufsteigenden dritten Steigrohr 45, welches über einen Krümmer 46 in einem dritten Entspannungsbehälter 47 mündet. Unterhalb des Eintritts des dritten Steigrohrs 45 wird über eine dritte Düse 48 Treibluft zugeführt, die den Feststoff in dem dritten Steigrohr 45 fluidisiert nach oben fördert. Die Treibluftzufuhr über die dritte Düse 48 wird mittels eines dritten Regelventils 49 variiert.
Anstelle der Entspannungsbehälter 35, 41, 47 können entsprechend den betrieblichen Anforderungen für die jeweiligen Teilströme ṁ₁ bis ṁ₃ selbstverständlich auch andere Anlagenteile vorgesehen sein, wobei jeder Teilstrom ṁ₁ bis ṁ₃ individuell behandelt. werden kann. Anstelle der Niveaus in den Entspannungsbehältern können auch Temperaturen geregelt werden, wenn beispielsweise Wärmetauscherbündel in den Entspannungsbehältern angeordnet werden. Dann kann entweder die Feststofftemperatur am Austritt aus dem Entspannungsbehälter geregelt werden oder auch die Austrittstemperatur des Mediums, das in den Rohren des Wärmetauscherbündels fließt. So kann bei spielsweise die Gesamtwärme des Feststoffstroms, der aus dem Behälter 30 ausfließt, mittels entsprechender Verteilung der Teil-Feststoffströme genau dem Wärmebedarf unterschiedlicher Medien oder Teilprozesse angepasst werden.
Die Zufuhr der Treibluft durch die Düsen 36, 42 und 48 wird bspw. auf der Basis des Niveaus in den Entspannungsbehältern 35, 41 und 47 variiert. Dieses Niveau lässt sich bspw. mittels einer Druckdifferenz über die Behälter 35, 41 bzw. 47 ermitteln. Dadurch lässt sich ein gezielter Massenstrom ṁ₁, ṁ₂ bzw. ṁ₃ durch die Steigrohre 33, 39 und 45 erreichen. Gleichzeitig wird ein Druckabschluss zwischen dem Wirbelschichtbehälter 30 und den Entspannungsbehältern 35, 41 und 47 gewährleistet: Jeder Behälter kann auf einem unterschiedlichen Druckniveau liegen.
Selbstverständlich kann die in 3 gezeigte Reihenschaltung auf beliebig viele Sealpots S₁ bis S_n ausgedehnt werden, die jeweils in gleicher Weise aufgebaut sind. Es muss jedoch gewährleistet sein, dass der Druck P_n, hier P₄, am Boden des letzten Fallrohrs 44 größer ist als die Drücke P₀ im Wirbelschichtbehälter 30 und die Drücke P₁ bis P_n-1 in den Behältern 35, 41 und 47.
Beispiel
In einer Wirbelschichtanwendung wird Alumina aus Aluminiumhydroxid mit hohen Temperaturen in einem Wirbelschichtofen hergestellt. Die Wärme aus dem Produkt soll für die weitere Nutzung innerhalb des Kalzinierprozesses oder anderweitig in der Alumina-Raffinerie in Wirbelschichtkühlern zurückgewonnen werden. Bei einer Anlagenschaltung gemäß 2 wird hierbei das oberste Fallrohr direkt an einen Zyklon angeschlossen ist, ähnlich wie in 1. Das Produkt fällt mit einer Temperatur von 480°C an und wird mit drei Medien abgekühlt (Wärmerückgewinnung). Hierzu sind drei Wirbelschichtkühler mit eingetauchten Rohrbündeln parallel geschaltet, wobei jeweils einer an eines der Steigrohre angeschlossen ist. Im ersten Kühler wird Primärluft für den Ofen vorgewärmt durch indirekte Wärmeübertragung. Im zweiten werden maximal 32 t/h Kesselspeisewasser aufgeheizt und im dritten werden maximal 60 t/h Filterwaschwasser aufgeheizt für die Hydratfilter der Raffinerie. Das Kesselspeisewasser hat einen Druck von 6 bar und tritt mit 25°C in das Bündel des zweiten Kühlers ein, das Filterwaschwasser mit 60°C in das Bündel des dritten Kühlers. Das oberste Fallrohr hat einen Durchmesser von 0,8 m. Das erste Steigrohr zum ersten Kühler mit dem Primärluftbündel hat einen Durchmesser von 0,4 m und ist in der Lage, den gesamten Produktstrom von ca. 140 t/h zu transportieren. Kesselspeisewasser und Filterwaschwasser stehen nicht immer in der maximalen Menge zur Aufheizung zur Verfügung. Dementsprechend ist auch der Wärmebedarf für die Aufheizung dieser Medien nicht konstant. Andererseits soll aber das Sieden der flüssigen Medien unter allen Umständen verhindert werden. Deshalb wird die Kesselspeisewassertemperatur am Austritt des Bündels im zweiten Kühler auf eine Temperatur von 140°C geregelt. Der entsprechende Regelkreis ist verbunden mit dem Regelventil für die Förderluftdüse des zweiten Steigrohrs. Hat das Kesselspeisewasser am Austritt des Bündels eine höhere Temperatur als 140°C, wird das Regelventil etwas geschlossen. Daraufhin wird weniger Alumina in den zweiten Kühler transportiert, das Wärmeangebot nimmt ab und entsprechend sinkt die Kesselspeisewassertemperatur am Austritt des Bündels. Bleibt die Kesselspeisewassertemperatur unter der gewünschten Temperatur von 140°C, wird hingegen das Regelventil etwas geöffnet, so dass mehr Alumina durch das zweite Steigrohr in den zweiten Kühler transportiert wird, das Wärmeangebot dort entsprechend steigt und die Kesselspeisewassertemperatur zunimmt. So kann auch bei schwankenden Kesselspeisewasser-Massenströmen immer die gewünschte Vorwärmtemperatur eingestellt werden. Das zweite Steigrohr hat einen Durchmesser von 0,25 m, so dass maximal 56 t/h Alumina zum zweiten Kühler gefördert werden können. Im dritten Kühler soll das Filterwaschwasser auf einen Sollwert von 95°C aufgeheizt werden. Wiederum wird die Wassertemperatur am Austritt des Bündels geregelt, wobei der zugeordnete Regelkreis mit dem Regelventil für das Fördergas des dritten Steigrohrs verbunden ist. Das dritte Steigrohr hat einen Durchmesser von 0,15 m, so dass maximal 32 t/h Alumina zum dritten Kühler gefördert werden können. Der Durchmesser des zweiten Fallrohrs ist 0,6 m, der Durchmesser des dritten Fallrohrs 0,35 m. Der Fördergasstrom zum ersten Steigrohr wird so bemessen, dass dieses den gesamten Feststoffstrom abführt, wenn die Steigrohre zwei und drei keinen Feststoff abnehmen.. Wenn jedoch Kesselspeisewasser und Filterwaschwasser in den maximalen Mengen zur Aufheizung zur Verfügung stehen, wird durch die Regelung der Kesselspeise- und der Filterwaschwassertemperatur der Feststoffstrom im ersten Steigrohr reduziert und weniger Wärme an die Primärluft abgegeben. Steht kein Kesselspeisewasser oder Filterwaschwasser zur Verfügung, wird der gesamte Produktstrom über das erste Steigrohr in den ersten Kühler geleitet und die Wärme an die Primärluft für den Ofen abgegeben. Somit kann die Energie beliebig zwischen den aufzuwärmenden Medien verteilt werden. Die Ausnutzung der Wärmeströme kann somit optimiert werden. Wenn dann noch Restwärme abgegeben werden muss, können die Austräge der Kühler an einen weiteren Wirbelschichtkühler angeschlossen werden, in dem die Restwärme an Kühlwasser abgegeben wird.

1: Wirbelschichtbehälter
2: Feststoffzufuhrleitung
3: Primärluftleitung
4: Brennstoffleitung
5: Austragsleitung
6: Abscheidezyklon
7: Leitung
8: erstes Fallrohr
9: erstes Steigrohr
10: Boden des ersten Fallrohrs
11: erste Düse
12: Übergangsstück
13: zweites Fallrohr
14: Boden des zweiten Fallrohrs
15: zweites Steigrohr
16: Krümmer
17: Entspannungsbehälter
18: zweite Düse
19: Leitung
20: Regelventil
21: Differenzdruckaufnehmer
30: Wirbelschichtbehälter
31: erstes Fallrohr
32: Boden des ersten Fallrohrs
33: erstes Steigrohr
34: Krümmer
35: erster Entspannungsbehälter
36: erste Düse
37: erstes Regelventil
38: zweites Fallrohr
39: zweites Steigrohr
40: Krümmer
41: zweiter Entspannungsbehälter
42: zweite Düse
43: zweites Regelventil
44: drittes Fallrohr
45: drittes Steigrohr
46: Krümmer
47: dritter Entspannungsbehälter
48: dritte Düse
49: drittes Regelventil
S₁ bis S₃: Sealpots

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3107711 A1 [0003]
- EP 0488433 B1 [0005]
- US 6666629 [0008]
- WO 01/28900 A1 [0009]
- US 2005/0058516 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Aufteilung eines Feststoffstroms (ṁ₀), der aus einem Zyklon, Wirbelschichtbehälter oder dgl. abgezogen wird, wobei der Feststoffstrom (ṁ₀) über ein erstes Fallrohr abgeführt und am Boden des ersten Fallrohrs durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert wird, wobei wenigstens ein Teil (ṁ₁) des Feststoffstroms (ṁ₀) durch das Fördergas über ein von dem Fallrohr abzweigendes erstes Steigrohr nach oben gefördert wird, wobei der verbleibende Teil (ṁ₂) des Feststoffstroms (ṁ₀) über ein sich an das erste Fallrohr anschließendes zweites Fallrohr abgeführt und am Boden des zweiten Fallrohrs durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert wird, und wobei wenigstens ein Teil des Feststoffstroms (ṁ₂) durch das Fördergas über ein von dem zweiten Fallrohr abzweigendes zweites Steigrohr nach oben gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Fördergases am Boden des ersten und/oder des zweiten Fallrohrs variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße für die Zufuhr des Fördergases zu dem ersten oder zweiten Fallrohr die Druckdifferenz über dem Wirbelschichtbehälter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Fördergases am Boden des ersten Fallrohrs konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Boden und dem Kopf des ersten und/oder des zweiten Fallrohrs kleiner gehalten wird als der einem fluidisierten Fallrohr entsprechende Druckverlust.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck am Boden jedes Fallrohrs größer gehalten wird als der Druck am Kopf dieses Fallrohrs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderluft unterhalb des ersten und/oder des zweiten Steigrohrs über jeweils wenigstens eine abwärts gerichtete Düse zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördergas ein drittes, bevorzugt inertes Gas, insbesondere Stickstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterbrechung des Feststoffstroms in einem Steigrohr das Fördergas mit so geringem Volumenstrom zugegeben wird, dass in diesem Steigrohr die Minimalfluidisierungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird.
Vorrichtung zur Aufteilung eines Feststoffstroms, der aus einem Zyklon (6), Wirbelschichtbehälter oder dgl. abgezogen wird, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ersten Fallrohr (8) zur Förderung des Feststoffstroms, einem ersten Steigrohr (9), das von dem ersten Fallrohr (8) nach oben abzweigt, einer ersten Fördergaszufuhr, über die unterhalb des ersten Steigrohrs (9) Fördergas in das erste Fallrohr (8) eingebracht wird, um Feststoffe durch das erste Steigrohr (9) zu fördern, einem zweiten Fallrohr (13), das sich unterhalb der ersten Fluidisierung an das erste Fallrohr (8) anschließt, einem zweiten Steigrohr (15), das von dem zweiten Fallrohr (13) nach oben abzweigt, und einer zweiten Fördergas zufuhr, über die unterhalb des zweiten Steigrohrs (15) Fördergas in das zweite Fallrohr (13) eingebracht wird, um Feststoffe durch das zweite Steigrohr (15) zu fördern.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Regelventil (20) zur Variierung der zweiten Fördergaszufuhr.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Fördergasstroms jeweils über wenigstens eine Düse (11, 18) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (11, 18) abwärts geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (8, 13) um nicht mehr als 45° zur Vertikalen geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (9, 15) etwa vertikal angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Steigrohrs (9, 15) größer ist als die Höhe des zugeordneten Fallrohrs (8, 13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser jedes Fallrohrs (8, 13) größer als oder gleich dem Durchmesser des jeweils zugeordneten Steigrohrs (9, 15), vorzugsweise etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des Steigrohrs (9, 15) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steigrohr (9) ggf. nach Umlenkung mittels eines Krümmers oder dgl. in den Wirbelschichtbehälter (1) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steigrohr (15) in einen Austragstopf (17) oder dgl. mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Fallrohr (31) mehrere weitere Fallrohre (38, 44) nachgeschaltet sind, an deren Boden jeweils Fördergas zugeführt wird, um einen Teilstrom des Feststoffstroms über ein von dem jeweiligen Fallrohr (38, 44) abzweigendes Steigrohr (39, 45) nach oben abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Fallrohre parallel geschaltet sind.