DE19854390A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Perlitteherstellung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur PerlitteherstellungInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Herstellung von Perlittegranulat mit einem Expansionsrohr und einem oder mehreren an einem Ende des Expansionsrohres angeordneten Brenner, bei dem die Verbrennungsluft durch eine oder mehrere Verbrennungsluftdüsen in die Flamme eingeblasen wird, ist mindestens in einer Verbrennungsluftdüse eine zusätzliche Unterschalldüse angeordnet. DOLLAR A Bei einem Verfahren zur Expansion von Rohperlit im Flugstrom einer Flamme unter Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese Flamme wird der Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft durch Unterschalldüsen axial in die Flamme eingeleitet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von
Perlittegranulat und ein Verfahren zur Expansion von Rohperlit zu Perlittegranulat
im Flugstrom.
Die Wärmebehandlung von inerten Stoffen unter oxidierender Atmosphäre im
Flugstrom, wie beispielsweise das Schmelzen und die Expansion von
Perlitpartikeln zum Perlittegranulat, ist bekannt.
Perlittegranulat wird aufgrund seiner Eigenschaften unter anderem als
Isolationswerkstoff, Filtrationsmaterial oder als Pflanzengranulat verwendet. Bei
der Herstellung wird als Ausgangsmaterial der sogenannte Rohperlit eingesetzt.
Rohperlit ist ein Naturglas vulkanischen Ursprungs, das 3 bis 6 Gew.-% chemisch
gebundenes Hydratwasser enthält. Der Rohperlit wird auf Korngrößen zwischen
0,125 und 2,24 mm zerkleinert und auf die für die Eigenschaften des
Endproduktes notwendige Korngrößenverteilung klassiert.
Die Rohperlitpartikel werden durch Erwärmung auf Temperaturen größer als
1000°C angeschmolzen. Durch das bereits ab 800°C ausgetriebene und
verdampfende Hydratwasser expandieren die angeschmolzenen Partikel auf ein
Vielfaches ihres Ausgangsvolumens.
Als Apparat zur Herstellung von Perlitten hat sich heute der Schachtofen
gegenüber dem horizontal rotierenden Drehrohr weitgehend durchgesetzt.
Der Schachtofen besteht aus einem vertikalen Expansionsrohr aus
hitzebeständigen Stahl das von unten durch eine Flamme beheizt wird.
Wärmeverluste durch Wärmestrahlung werden durch eine feuerfeste Isolierung,
die im Abstand um das Expansionsrohr angebracht ist, minimiert.
Der körnige, getrocknete Rohperlit wird durch am Umfang des Expansionsrohres
angebrachte Öffnungen direkt in die Flamme in den Bereich von Temperaturen
größer 1000°C zudosiert. In Abhängigkeit von der Rohperlit-Korngröße der
Flammentemperatur und der Verweilzeit wird das Einzelkorn geschmolzen und
durch das verdampfende Hydratwasser aufgebläht. Aufgrund der durch diese
Volumenvergrößerung resultierenden Auftriebskräfte werden die aufgeblähten
Partikel durch das Abgas der Flamme nach oben ausgetragen. Die expandierte
Perlitte wird in einem nachgeschalteten Zyklon vom Abgas getrennt, über ein
Zellrad ausgeschleust, abgekühlt und in Silos zwischengelagert.
Als Brennstoff für den Schachtofen werden Brenngase, wie z. B. Erdgas, Propan
und Butan, sowie Heizöl verwendet. Der Brennstoff wird mit Luft als
Oxidationsmedium überstöchiometrisch, das bedeutet mit Luftüberschuß,
verbrannt.
Die maximal zulässige Betriebstemperatur der Expansionsrohre ist
werkstoffabhängig. Als Werkstoff wird in der Regel ein hitzebeständiger Stahl
verwendet.
Die Temperatur im Ofen beträgt typisch zwischen 850°C und 950°C. Im Betrieb
werden zur Erhöhung der Standzeit niedrige Wandtemperaturen angestrebt, da
bereits ab 900°C verstärkt Verzunderung auftritt.
Das Aufblähen der Rohperlitpartikel wird im wesentlichen durch die Lage und die
räumliche Ausdehnung der heißen Flammzone sowie deren Temperatur
beeinflußt. Die Temperatur kann durch die Düsengeometrie des Brenners, dem
Brennstoff/Luft-Verhältnis und durch den Ofendruck, das heißt die Zufuhr von
Falschluft, nur in bestimmten Grenzen beeinflußt werden, ohne daß die
zulässigen Betriebstemperaturen überschritten werden. Der inerte Stickstoffanteil
in der Verbrennungsluft und der Luftüberschuß in der Flamme begrenzen
außerdem die Temperatur in der Verbrennungszone und damit den
Wärmeübergang auf die Rohperlitpartikel. Dadurch ist bei vorhandenem
Querschnitt des Expansionsrohres der Durchsatz an expandiertem
Perlittegranulat mit definiertem Schüttgewicht begrenzt.
Darüber hinaus ist die thermische Expansion von Perlitte mit einem
Gesamtwirkungsgrad kleiner 30%, abhängig vom Rohpartikeldurchmesser und
dem Schmelzpunkt des Rohperlits, sehr energieintensiv.
Bei den vorhandenen Rohperlit-Expansionsöfen besteht deshalb ein prinzipielles
Interesse an einer Produktivitätsverbesserung, das heißt an einer
Durchsatzsteigerung für expandierte Perlitte. Ferner sollte der Energieverbrauch
reduziert werden.
Es ist bekannt, die Durchsatzleistung von Perlitte-Expansionsöfen dadurch zu
erhöhen, daß die Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert wird und daß die
mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft zusammen mit dem Brenngas
vermischt wird und durch geeignete Brenner in das Expansionsrohr zur
Verbrennung zugegeben wird (US 4,179,264). Bei diesem einfach zu
realisierenden Verfahren der Sauerstoffanreicherung kann der Durchsatz an
expandierter Perlitte um maximal 30% gesteigert werden, ohne daß die
zulässigen Wandtemperaturen überschritten werden.
Bei der Anreicherung wird durch die gleichmäßige Erhöhung der
Sauerstoffkonzentration in der Primärluft die Temperatur in der Reaktionszone
gleichmäßig angehoben und damit der Wärmeübergang auf die Rohperlitpartikel
verbessert. Daß bedeutet, der Durchsatz von Rohperlit kann so erhöht werden.
Da aber die Lage und die Ausdehnung der Reaktionszone bzw. der Flammenfront
nicht verändert werden kann, ist die mögliche Erhöhung der Durchsatzleistung
begrenzt. Denn die Verweilzeit bleibt konstant.
Höhere Sauerstoffkonzentrationen führen darüber hinaus zu Problemen
hinsichtlich der Verzunderung des Expansionsrohres und dessen mechanischer
Festigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Expansion
von Rohperlit zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, ohne die bekannten
Nachteile und Risiken der Sauerstoffanreicherung, die Durchsatzleistung von
Rohperlit in der Vorrichtung wesentlich zu erhöhen und den spezifischen
Energiebedarf zu senken, ohne daß die zulässigen Wandtemperaturen
überschritten werden und ohne daß ungeblähte Rohperlitte durch den Brenner
fällt.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung
zur Herstellung von Perlittegranulat mit einem Expansionsrohres und einem oder
mehreren an einem Ende des Expansionsrohres angeordneten Brenner, bei dem
die Verbrennungsluft durch eine oder mehrere Verbrennungsluftdüsen in die
Flamme eingeblasen wird, mindestens in einer Verbrennungsluftdüse eine
zusätzliche Unterschalldüse angeordnet ist.
Bei der Vorrichtung zur Herstellung von Perlittegranulat mit einem
Expansionsrohres ist das Expansionsrohr vorzugsweise in etwa senkrecht, daß
bedeutet die Längsachse des Expansionsrohres verläuft genau senkrecht oder
mit relativ geringen Abweichungen, beispielsweise einige Grad aus der
senkrechten Lage. Der Brenner ist dann vorzugsweise am unteren Ende des
senkrechten Expansionsrohres angeordnet.
Bei der Vorrichtung wird die Rohperlit vorzugsweise im Flugstrom einer Flamme
unter Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese
Flamme expandiert. Diese Vorrichtung wird hier als "Flugstromreaktor"
bezeichnet.
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Expansion von Rohperlit im
Flugstrom einer Flamme unter Einleitung von Sauerstoff oder
sauerstoffangereicherter Luft in diese Flamme gelöst, welches dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Sauerstoff oder sauerstoffangereichertere Luft durch
Unterschalldüsen axial in die Flamme eingeleitet wird.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Brenner, der vorzugsweise
am unteren Ende des vertikalen Expansionsrohres angeflanscht ist, wobei
vorzugsweise das Brenngas und die Primärluft durch eine zentrische Einzeldüse
mit konzentrischer Ringspalt-Primärluftdüse oder durch konzentrische
Einzeldüsen innerhalb der Primärluftdüse in das Expansionsrohr eingeblasen
wird. Das Brenngas kann sowohl parallel als auch transversal in den
Primärluftstrom eingeblasen werden. Das Brenngas und die Primärluft können
sowohl außenmischend als auch vorgemischt aus den Brennerdüsen austreten.
Durch die Sekundärluftdüse, die bevorzugt konzentrisch um die Primärluftdüse
angeordnet ist, kann mit einem separaten Gebläse Luft eingeblasen werden. Es
ist aber ebenso möglich, daß sekundäre Luft bzw. Falschluft nur aufgrund eines
Unterdrucks im Expansionsrohr angesaugt wird.
Der Sauerstoff wird durch eine Unterschalldüse, die vorzugsweise zentrisch im
Brenner angeordnet ist, axial in die Primärluftflamme eingeblasen. Die
Düsenaustrittsgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise zwischen 5 m/sec. bis 100
m/sec. Es kann vorteilhaft reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft mit
einem Sauerstoffanteil von vorzugsweise mindestens 50 Vol.-% eingeblasen
werden.
Höhere Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeiten von 100 m/sec. bewirken aufgrund
der hohen Mischungsenergie eine Verkürzung der Flammenlänge. Bedingt durch
die reduzierte Schichtdicke der Hochtemperaturzone wird bei höheren
Rohperlitdurchsätzen die Verweilzeit reduziert, das bedeutet, die Rohperlitpartikel
fallen ungebläht durch die Flamme. Gleichzeitig verlagert sich die
Verbrennungszone in Richtung Brennerdüse, die Flamme beginnt zu pulsieren
und der Ofen flammt aus. Neben einer erheblichen Durchsatzminderung steigt der
Energieverbrauch überproportional.
Durch die Reduzierung der Sauerstoffgeschwindigkeit im Bereich zwischen 5
m/sec. bis 100 m/sec. gemäß der Erfindung wird in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit die Primärflamme verlängert und die Temperatur in der
Reaktionszone erhöht, ohne daß es zu einer Überschreitung der zulässigen
Wandtemperatur kommt. Durch den verbesserten Wärmeübergang und die
längere Verweilzeit kann der Durchsatz an Rohperlitte um 50% erhöht werden
und der spezifische Energieverbrauch um 35% reduziert werden.
Die höheren Temperaturen in der Primärflamme können auch für eine
Reduzierung des Schüttgewichtes genutzt werden, da die Rohperlitpartikel
weicher werden und durch das verdampfende Hydratwasser stärker aufblähen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren
werden nun beispielhaft anhand von Abbildungen (Fig. 1 bis Fig. 5) sowie durch
Beispiele und Vergleichsbeispiele verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung
von Perlittegranulat mit einem Brenner, der am unteren Ende eines
Expansionsrohres angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten Brenners.
Fig. 3 zeigt einen Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Brenners.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten Brenners.
Fig. 5 zeigt einen anderen Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten Brenners.
In Fig. 1 ist der untere Abschnitt aus einem Flugstromreaktor gemäß der
Erfindung dargestellt. Der Brenner 1 ist am Expansionsrohr 2 an dessen unterem,
konisch zu laufenden Ende 3 angeordnet. Über eine zentrisch angeordnete
Brennstoff-Einzeldüse 4 wird dem Brenner der Brennstoff zugeführt. Sauerstoff
wird durch eine konzentrisch um die Brennstoff-Einzeldüse 4 angeordnete
Sauerstoff-Ringspaltdüse 5 über einen Anschlußstutzen 6 zugeführt.
Konzentrisch um die Sauerstoff-Ringspaltdüse 5 ist eine Primärluftdüse 7
angeordnet, der über Anschlußstutzen 8 Luft zugeführt wird und welche
konzentrisch von einer Sekundär-/Falschluft-Düse 9 mit Anschlußstutzen 10
umgeben ist. Die Zufuhr bzw. die Einblasrichtung der Stoffe ist hier durch Pfeil A
dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der in Fig. 1
dargestellten Fläche D bis D'. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse
des Brenners 1 herum sind die Brennstoff-Einzeldüse 4, die Sauerstoff-
Ringspaltdüse 5, die Primärluftdüse 7 und die Sekundär-/Falschluft-Düse 9
angeordnet. Die jeweiligen dazugehörigen Anschlußstutzen sind hier nicht
dargestellt.
In Fig. 3 ist der untere Abschnitt aus einem Flugstromreaktor mit einer
Abwandlung des Brenners 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Brenner 1 ist
am Expansionsrohr 2 an dessen unterem, konisch zulaufenden Ende 3
angeordnet. Über eine zentrisch angeordnete Sauerstoff-Einzeldüse 11 wird dem
Brenner Sauerstoff zugeführt. Konzentrisch um die Sauerstoff-Einzeldüse 11 ist
eine Sekundär-/Falschluft-Düse 12 als Ringspaltdüse angeordnet. Brennstoff wird
hier durch eine Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und über den Stutzen 14 zugeführt,
wobei die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 konzentrisch um die Sekundär-
/Falschluft-Düse 12 angeordnet ist. Konzentrisch um die Brennstoff-Ringspalt-
Düse 13 ist eine Primärluftdüse 15 angeordnet, der über Anschlußstutzen 16 Luft
zugeführt wird, wobei die Brennstoff- Ringspalt-Düse 13 Düsenöffnungen 17
aufweist, wodurch Brennstoff in die Primärluftdüse 15 gelangt (Pfeile A und B).
In Fig. 4 ist ein Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der Fläche E bis E' in
Fig. 3 dargestellt. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse des Brenners
1 herum sind die Sauerstoff-Einzeldüse 11, die Sekundär-/Falschluft-
Ringspaltdüse 12, die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und die Primärluft-Düse 15
angeordnet. Die jeweiligen dazugehörigen Anschlußstutzen sind hier nicht
dargestellt.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Brenners 1 in der Ebene der in Fig. 3
dargestellten Fläche F bis F'. Konzentrisch ineinander und um die Längsachse
des Brenners 1 herum sind die Sauerstoff-Einzeldüse 11, die Sekundär-
/Falschluft-Ringspaltdüse 12, die Brennstoff-Ringspalt-Düse 13 und die
Primärluft-Düse 15 angeordnet, wobei hier die Düsenöffnungen 17 der Brennstoff-
Ringspalt-Düse 13 zu erkennen sind.
Ein Flugstromreaktor mit einem Expansionsrohrdurchmesser von ca. 630 mm und
einem konischen Boden dient zur Herstellung von Perlittegranulat aus Rohperlit
mit einer groben Körnung von 0,6 mm.
Als Brennstoff werden 170 m3/h Erdgas mit 640 m3/h Primärluft durch einen
außenmischenden Brenner, der am konischen Boden angeflanscht ist, verbrannt.
Das Erdgas wird über mehrere Einzeldüsen transversal in den Primärluftstrom
eingeblasen. Durch abgasseitige Saugzuggebläse werden bei einem
Saugzugdruck von ca. 55 mm WS zusätzlich ca. 1200 m3/h Sekundär- und
Falschluft durch die Sekundärluftdüse angesaugt.
Durch zwei Öffnungen im Expansionsrohr wird der Rohperlit durch eine
Dosiervorrichtung in die Flamme zudosiert. Nach der Ofenoptimierung werden als
Produkt im Zyklon und Filter 12,34 m3/h Perlittegranulat mit einem Schüttgewicht
von 77 kg/m3 abgeschieden. Der spezifische Energieverbrauch beträgt 13,92 m3
Erdgas pro m3 Perlitte. Die Temperatur des Expansionsrohres beträgt 1500 mm
oberhalb der Brennerdüse maximal 805°C.
An dem Flugstromreaktor gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde bei gleicher Körnung
des Rohperlits von 0,6 mm die Primärluft mit Sauerstoff angereichert.
Die Primärluftmenge wurde auf 450 m3/h reduziert und mit maximal 40 m3/h
Sauerstoff auf 27,4 Vol.-% Sauerstoff angereichert. Nach der Ofenoptimierung
werden als Produkt im Zyklon und Filter maximal 15,06 m3/h Perlittegranulat mit
einem Schüttgewicht von 79,4 kg/m3 abgeschieden. Der spezifische
Energieverbrauch beträgt 11,37 m3 Erdgas pro m3 Perlitte. Bei einem spezifischen
Sauerstoffverbrauch von 2,66 m3 Sauerstoff pro m3 Perlitte: Höhere
Sauerstoffmengen waren nicht möglich, da der obere zulässige Grenzwert der
Wandtemperatur überschritten wurde und ungeblähter Rohperlit durch den
Brenner fiel.
Anstatt der Sauerstoffanreicherung der Primärluft wurde zentrisch in die
vorhandene Primärluftdüse eine Sauerstoffdüse eingebaut. Bei einem
Sauerstoffvolumenstrom von 50 m3/h, das bedeutet einer
Düsenaustrittgeschwindigkeit von 33,5 m/sec., wurde bei konstantem
Erdgasdurchsatz von 170 m3/h die Primärluftmenge auf 363 m3/h gedrosselt. Über
die Sekundärluftdüse wurde ca. 1200 m3/h Sekundär-/Falschluft angesaugt.
Nach der Ofenoptimierung werden als Produkt im Zyklon und Filter 18,56 m3/h
Perlittegranulat mit einem Schüttgewicht von 64 kg/m3 abgeschieden. Der
spezifische Energieverbrauch beträgt 9,26 m3 Erdgas pro m3 Perlitte, und der
spezifische Sauerstoffbedarf beträgt 2,69 m3 Sauerstoff pro m3 Perlitte.
Die Temperatur des Expansionsrohres beträgt 1500 mm oberhalb der
Brennerdüse maximal 790°C.
Durch die erfindungsgemäße Sauerstoffeinspeisung war eine Erhöhung der
Perlittedurchsatzleistung von 50,4% möglich. Der Erdgasverbrauch reduzierte
sich dabei um 35%.
In den Brenner wurde in die vorhandene Primärluftdüse eine Sauerstoffdüse
eingebaut, die bei einem Sauerstoffvolumenstrom von 50 m3/h eine
Austrittsgeschwindigkeit von 69,1 m/sec. erzeugte. Bei sonst gleichen
Bedingungen wie bei Beispiel 1 reduzierte sich der Durchsatz an Perlittegranulat
auf 16,9 m3/h bei einem Schüttgewicht von 67,4 kg/m3.
Der spezifische Energieverbrauch stieg auf 10,18 m3 Erdgas pro m3 Perlitte, und
der spezifische Sauerstoffverbrauch erhöhte sich auf 2,96 m3 Sauerstoff pro m3
Perlitte.
Durch Reduzierung des Düsenquerschnitts wurde die
Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeit noch weiter gesteigert. Bei sonst gleichen
Bedingungen wie bei Beispiel 1, aber bei einer Sauerstoffaustrittsgeschwindigkeit
von 150 m/sec. reduzierte sich der Durchsatz an Perlittegranulat auf 14,58 m3/h
bei einem spezifischen Erdgasverbrauch von 11,65 m3 Erdgas pro m3 Perlitte und
einem Sauerstoffbedarf von 3,43 m3 Sauerstoff pro m3 Perlitte.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Perlittegranulat mit einem Expansionsrohr
und einem oder mehreren an einem Ende des Expansionsrohres
angeordneten Brenner, bei dem die Verbrennungsluft durch eine oder
mehrere Verbrennungsluftdüsen in die Flamme eingeblasen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens in einer Verbrennungsluftdüse eine zusätzliche
Unterschalldüse angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft durch mindestens eine Primär/- und mindestens
eine Sekundärluftdüse in die Flamme eingeblasen wird und daß die
zusätzliche Unterschalldüse in mindestens einer Primär/- und/oder
mindestens einer Sekundärluftdüse angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet
daß die zusätzliche Unterschalldüse axial in eine oder mehreren Düsen
angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzliche Unterschalldüse bündig mit der Brenngasdüse und/oder
Primärluftdüse abschließt.
5. Verfahren zur Expansion von Rohperlit im Flugstrom einer Flamme unter
Einleitung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in diese
Flamme,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft durch
Unterschalldüsen axial in die Flamme eingeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsgeschwindigkeit des Sauerstoffes oder der
sauerstoffangereicherten Luft 5 m/sec. bis 100 m/sec. beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die sauerstoffangereicherte Luft mindestens 50 Vol% Sauerstoff enthält.
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