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Wärmeaustauscher zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Material, insbesondere
Kalk oder Zement, durch Gase Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher
zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Material, insbesondere Kalk oder Zement, durch
Gase.
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Zum Brennen von Kalk und Zementklinkern werden hauptsächlich zwei
Arten von Öfen verwendet, die Ring- bzw. Schachtöfen und die Drehrohröfen. Die erstgenannten
bieten bei gutem thermischem Wirkungsgrad keine oder nur geringe Möglichkeit einer
Mechanisierung. Die Drehrohröfen können gut mechanisiert werden, weisen jedoch bedeutende
kalorische Verluste auf. Sie werden deshalb in Längen von 150 bis 300 m ausgeführt
und sind, sowohl was den Betrieb als auch die Anschaffungskosten betrifft, sehr
kostspielig.
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Die Hauptschwierigkeit beim Betrieb von Drehrohröfen bildet die Ausnutzung
der Wärme der Abgase. Die bei kürzeren Öfen entweichenden Gase weisen eine Temperatur
von 300 bis 600° C, beim Brennen von Stückkalk sogar über 800° C auf. Die in diesen
Gasen enthaltene Wärme stellt einen Brennstoffverlust von 20 bis 50°/o dar. Die
Ausnutzung dieser Wärme in Abwärmekesseln hat sich vom betriebstechnischen Standpunkt
als ungeeignet erwiesen.
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In neuerer Zeit werden diese Gase zum Vorwärmen des Rohgutes vor seinem
Eintritt in den Drehrohrofen ausgenutzt. Für Stückmaterial werden Systeme von Wanderrosten
verwendet, bei denen die Abgase durch das Rohgut hindurchtreten und dieses dadurch
vorwärmen. Auch diese Vorrichtungen bringen hohe Investitionskosten mit sich und
sind recht störanfällig.
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Es ist bekannt, daß der Wärmeaustausch zwischen einem strömenden Gas
und feinen Materialteilchen mit großer Geschwindigkeit verläuft, so daß bei genügend
kleinen Teilchen ein Wärmegefälle von mehreren 100° C im Bruchteil einer Sekunde
ausgeglichen werden kann. Ein Nachteil beruht jedoch darin, daß das staubförmige
Material von dem Gas mitgenommen wird, so daß der Wärmeaustausch im Gleichstrom
verläuft. Die Temperaturen der Gase und des Materials können sich also höchstens
ausgleichen. Wenn z. B. die gleiche Gewichtsmenge von Gasen und Werkstoffen gleicher
spezifischer Temperatur angenommen wird, wobei die Gastemperatur 1000° C und die
Materialtemperatur 0° C beträgt, wird die resultierende Temperatur des Gases sowie
des Materials 500° C betragen. Der Wärmeverlust in den abziehenden Gasen ist also
immer noch bedeutend.
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Auf Grund dieser Erkenntnis wurde ein mehrstufiger Wärmeaustauscher
vorgeschlagen, bei dem das in der letzten Stufe vorgewärmte Material von dem Traggas
abgeschieden und in die vorhergehende Stufe übergeführt wird. Hier ist die Gastemperatur
höher, das Material wird wiederum auf eine höhere Temperatur vorgewärmt, von neuem
abgeschieden, und auf diese Weise tritt das Material durch den Wärmeaustauscher
bis zur Eintrittsseite der Gase hindurch.
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Diese Vorrichtung besteht aus einer Anzahl im wesentlichen senkrechter
Rohrstränge, die mittels Krümmer so miteinander verbunden sind, daß ein schlangenförmiges
Rohrsystem gebildet ist, in welchem die Drehrohrofenabgase abwechselnd in auf- und
absteigender Richtung geführt werden. Die Rohrgutaufgabe erfolgt in einem von den
Abgasen zuletzt durchströmten Rohrstrang mit nach oben gerichtetem Abgasstrom. Die
Gutabführstutzen der untenliegenden Krümmer sind mit einem der vorhergehenden Rohrstränge
mit ebenfalls nach oben gerichtetem Gasstrom durch Rohre verbunden. Bei dieser Vorrichtung
müssen die aufeinanderfolgenden Rohrstränge in ansteigenden Stufen angeordnet werden,
damit das Gut von dem Krümmer des einen Rohrstranges durch eine Rohrleitung in einen
der vorhergehenden Rohrstränge fließen kann. Dadurch erhält diese Vorrichtung der
Höhe nach sehr große Ausmaße, sie erfordert ein eigenes Gebäude von bis zu 30 m
Höhe. Da der untenliegende
Krümmer jeden Rohrstranges mit einem
vorangehenden Rohrstrang durch eine besondere Fallleitung verbunden ist, wird die
Anlage außerdem recht kompliziert. Die Herstellungskosten sind infolgedessen recht
beträchtlich.
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Eine Verbesserung in dieser Richtung stellt die vorliegende Erfindung
dar. Gemäß derselben wird ein Wärmeaustauscher zur Wärmebehandlung von feinkörnigem
Material, insbesondere Kalk oder Zement, durch Gase geschaffen, dessen Hauptmerkmal
darin beruht, daß die Rohrstränge dicht aneinanderliegen und zur Gutabscheidung
in den betreffenden Rohrsträngen je ein aus flachen oder profilierten, einander
überdeckenden Leisten gebildetes Sieb vorgesehen und derart schräg angeordnet ist,
daß dadurch das Gut zu einer Austrittsöffnung, die in den jeweils vorhergehenden
Strang mündet, geleitet wird, ferner daß an dieser Mündungsstelle der jeweils vorhergehende
Rohrstrang derart verjüngt ist, daß infolge der dort entstehenden Umwandlung von
Druck- in Geschwindigkeitsenergie sich ein Sog an der Mündung der Austrittsöffnung
bildet, wodurch das Gut in den jeweils vorhergehenden Rohrstrang gelangt.
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Es handelt sich hier demnach um eine Gegenstrom-Rezirkulationsvorrichtung,
in welcher das in den eigentlichen Wärrneaustauscher an der Austrittsseite der Abgase
eintretende Material in den einzelnen Abschnitten des Austauschers entgegen der
Strömungsrichtung der Gase verschoben wird und an der Eintrittsseite der Gase in
den Austauscher aus diesem austritt. Diese Verschiebung entgegen der Strömungsrichtung
der Gase wird durch eine teilweise Rezirkulation des Gases zwischen den einzelnen
Abschnitten des Austauschers erzielt. Es ist nicht erforderlich, das Material bei
seinem Durchtritt durch den Austauscher zum Stillstand zu bringen, es aus dem Traggas
abzuscheiden oder die einzelnen Austauscherstufen in irgendwelcher Weise voneinander
abzutrennen.
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Das Arbeitsschema des Wärmeaustauschers ist in der Zeichnung veranschaulicht.
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Der eigentliche Austanscher besteht aus einer Anzahl von unmittelbar
nebeneinander angeordneten Kanälen, z. B. 1, 2, 3 und 4 und 5. Diese Kanäle sind
durch Bögen 10, 14, 18 und 22 fortlaufend miteinander verbunden und bilden somit
ein geschlossenes schlangenartiges System. Das Gas tritt in den Austauscher durch
einen Stutzen 26 ein und durch einen Stutzen 33 aus diesem aus. Am Ende jedes Kanals
sind über die gesamte Breite schräg angeordnete Siebe 12, 16, 20, 24 und 28 vorgesehen,
die aus flachen oder in einer bestimmten Weise profilierten, unter einem bestimmten
Winkel gereihten und sich entgegen der Strömungsrichtung des Gases gegenseitig überdeckenden
Leisten gebildet sind. Das an der Trennwand zum vorangehenden Kanal gelegene Ende
dieser Siebe liegt in Höhe des Anfangs des vorangehenden Kanals, in der Strömungsrichtung
betrachtet. An dieser Stelle sind in den Trennwänden der Kanäle Schlitze 13, 17,
21 und 25 vorgesehen, durch welche die beiden Nachbarkanäle verbunden sind. Außerdem
ist hier der vorangehende Kanal an den Stellen 11, 15, 19, 23 und 27 in geeigneter
Weise verjüngt. Von den Schlitzen 13, 17, 21 und 25 verlaufen die Siebe zur gegenüberliegenden
Kanalwand schräg rückwärts zur Stromrichtung des Gases.
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Das feingemahlene Material wird in den letzten Kanal 5 an seinem Anfang
an der Stelle 9 aus einem Vorratsbehälter 6 über eine Förderschnecke 7 und ein Fallrohr
8 zugeführt und verläßt den Wärmeaustauscher durch den Kanal 1 an der Stelle 29.
Der Wärmeaustauscher arbeitet folgendermaßen: Das warme Gas strömt vom Eintrittsstutzen
26 in der Pfeilrichtung durch die Kanäle. An der Stelle 9 nimmt das Gas das hier
zugeführte, vorgewärmte Material mit und übergibt ihm einen Teil seiner Wärme. Am
Ende des Kanals 5 stoßen die Materialkörner gegen die Leisten des Siebes 12 und
verschieben sich infolge ihrer Trägheit in der Richtung gegen die Mündung des zum
vorangehenden Kanal 4 führenden Schlitzes 13. Der Hauptteil des Traggases strömt
durch das Sieb 12 in die Austrittsleitung 33. Ein Teil des das Material enthaltenden
Gases wird jedoch durch den Schlitz 13 in den Kanal 4 angesaugt, wo infolge der
Verjüngung an der Stelle 15 ein niedrigerer statischer Druck herrscht. Hier wird
die das Material enthaltende Gasmenge wiederum mit dem Hauptstrom des Gases vermischt
und das Material in der Richtung gegen das Sieb 16 getragen, wo sich der Vorgang
wiederholt. Auf diese Art und Weise tritt das Material mit dem rezirkulierenden
Gas durch den ganzen Austauscher entgegen der Strömungsrichtung des Gases hindurch,
bis das Material am Ende des Austauschers in einem mit automatischen Klappen 31
oder einem anderen mechanischen Verschluß versehenen Zyklon 30 abgeschieden wird
und in den Drehofen gelangt. Das in den Zyklon 30 tretende Gas wird durch die Leitung
32 zum Austrittsstutzen 33 geleitet.
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Durch dieses Verfahren wird eine vollkommene Ausnutzung der Abgaswärme
ermöglicht. Das entgegen der Strömungsrichtung des Gases fortschreitende Material
gelangt mit stets wärmeren Gasen in Berührung. Die Wärmeübertragung von dem aufgewirbelten
Gas auf das pulverförmige Material ist ideal. Bei einer unendlichen Anzahl von Kanälen
wäre es theoretisch möglich, eine vollständige Übergabe der Wärme von den Gasen
an das Material zu erzielen, d. h. also einen Zustand, bei welchem das Material
aus dem Austauscher mit der Temperatur der eintretenden Gase austreten und die Gase
mit der Temperatur des eintretenden Materials abziehen würden. In Wirklichkeit ist
jedoch die Anzahl der Kanäle begrenzt. Dabei ist es nicht nötig, die einzelnen Kanäle
voneinander zu trennen, das Material aus den Gasen abzuscheiden oder in einer anderen
Weise mit ihm zu verfahren. An dem Austauscher befinden sich keine beweglichen Teile,
die sonst bei hohen Temperaturen eine bedeutende Störungsquelle darstellen. Der
ganze Austauscher bildet ein kompaktes Ganzes, dessen Ausmaße kleiner als diejenigen
der bestehenden Austauscherkonstruktionen sind. Seine Gestalt ermöglicht die Ausführung
einer wirksamen Wärmeisolation (Ummauerung), so daß die Wärmeverluste gering sind.
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Die Ausnutzungsmöglichkeit des Austauschers ist äußerst weitgehend.
So z. B. ermöglicht derselbe eine vollkommene Mechanisierung der Kalkerzeugung.
Der geförderte Kalkstein wird ohne jegliches Sortieren zuerst zerkleinert und auf
eine gewünschte Körnung gemahlen. Hierauf wird er in dem Austauschersystem vorgewärmt
und schließlich in einem Drehofen gebrannt. Als Produkt ergibt sich dann gemahlener
Kalk.
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Außer allen Vorteilen, die dieses wärmewirtschaftliche technologische
Verfahren bietet, muß noch betont werden, daß auf diese Weise der gesamte geförderte
Kalkstein verarbeitet werden kann, von dem bei dem bisherigen Brennverfahren in
Ring- und Schachtöfen bis zu 401/o in der Form von Schotter zum Abfall kommt.
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Ferner kann der erfindungsmäßige Austauscher z. B. in einer Überdruckausführung
zum Trocknen
von feinkörnigem Material oder schließlich auch zum
Vorwärmen des Zementrohmaterials vor seinem Eintritt in den Drehofen verwendet werden.
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Der erfindungsmäßige Austauscher kann in verschiedenen weiteren Einrichtungen
und Abänderungen durchgeführt werden, und zwar nicht nur was die eigentliche Ausführung
und Anordnung des Hilfszubehörs des Austauschers, sondern auch seine Verwendung
anbelangt, ohne dadurch den eigentlichen Grundgedanken der Erfindung zu ändern.