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Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung feinkörniger oder staubförmiger
Stoffe, insbesondere Brennstoffe Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Wärmebehandlung feinkörniger oder .staubförmiger Stoffe, insbesondere Brennstoffe.
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Das Verarbeiten, z. B. Schwelen, Vergasen usw., von staü'bförmigen
oder feinkörnigen Stoffen unter Wärmeaustausch in der.Schwe#be oder im freien Fall
ist vielfach versucht worden, jedoch, abgesehen von der Kohlenstaubfeuerung, mit
wenig Erfolg. Die Erfolge bei dieser sind aber nur reit leicht zündenden Brennstoffen
oder mit Zusiatz solcher erzielt worden. Bei der Entgasung haben insbesondere Spülgasverfahren
versagt, weil sie zu einer starken Verdünnung der Schwelgase führen, einen hohen
Staubgehalt dieser verursachen und weil sie nur eine geringe Wirkung des Wärmeaustausches
ermöglichen.
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Für die Wärmeübertragung kommt außer der bei den Sp ülgasverfahren
hauptsächlich wirksamen Übertragung durch Berührung die durch Strahlung in Frage.
- Versuche mit dieser ü bertragungsart, z. B. beim Schwelen, hatten aber nur wenig
befriedigende Ergebnisse. Daher findet man im Schrifttum die Meinung .ausgesprochen,
bei -Stauberfahren sei -der Wärmeaustausch- durch Strahlung sehr wenig wirksam.
Wie eingehende Untersuchungen gezeigt haben, ist diese Anschauung durchaus unrichtig,
sofern nur die Bedingungen erfüllt werden, welche die staubtechnischen Aufgaben
stellen.
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Der industrielle Staub, wie er bei .dien verschiedenen Arbeus,vorgängen
oder beim Abbau der Rohstoffe anfällt, ist stets ein Gemisch verschiedener Korngrößen
,mit verschiedenen Fallgesch-,vindigkeiten. Die feinsten haben z. B. solche von
o bis o, i m/s, während die groben i mls und mehr erreichen. Wird ein derartiges
Gemisch dem freien Fall überlassen, so bilden die feinsten Teilchen infolge ihrer
kleinen Fallgeschwindigkeit
einen für jede Wärmeeinwirkung undurchdringlichen
Schleier, welcher eine Einstrahlung auf die groben Teilchen verhindert. Es ist dabei
gleichgültig, ob die Einwirkung von außen oder durch Rückstrahlung aus der i'mwan.dlungszone
.erfolgt. Der Versuch, die Teilchen duVch ,oinen der Fallrichtung entgegengesetzten
Gasstrom länger in der Schwebe zu halten, verstärkt die Schleierh#1-dang und verschlechtert
die Bedingungen für die Strahlung.
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Die Erfindung wertet nun die Erkenntnis aus, daß eine sclmelle Erhitzung
durch Strah-Iting eine Ordnung der _ Teilchen voraussetzt, die eine Bestrahlung
aller Teilchen, ermöglicht. Der gleichzeitige Aufenthalt einer Gu großen Zahl vor
allem feiner Teilchen im Wärmebehandlungsraum fuhrt notwendigerweise dazu, daß das
feinkörnige Gut zum Teil u bestrahlt bleibt, weil die Strahlung durch andere Teilchen
abgefangen wird.
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Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Wärmebehandlung feinkörniger
oder staubförmiger Stuffe, bei dem :der Schwebezustand der T.-ilchen für die Einstrahlung
von - der Wand des Behandlungsraumes her durch einett oder mehrere Gasströme oder
auch durch die Einwirkung magnetischer oder elektrischer Felder geordnet wird.
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Das einfachste Mittel zur Erzielung einer solchen Ordnung besteht
darin, d.aß man dein feinkörnigen Gut in der Richtung der Fallgeschwindigkeit durch
einen Gasstrom oder andere Einwirkungen, z. B. magnetische oder elektrischeFelder,
eineZusatzgeschwitidigkeit erteilt. Diese bewirkt einen Ausgleich der Geschwindigkeit.
Beträgt die erstere z. B. i in(s. so bewegen sich Teilchen, deren Fallgeschwindigkeit
bei o,i mls liegt, mit einer Absolutgeschwind-igke.it von i,i m/s. Teilchen mit
einer Fallgeschwindigkeit von i m/s erreichen eine Absolutgeschwindigkeit von 2
ni/s. Das Verhältnis der Fallgeschwindigkeiten beträgt i : 2o, das Verhältnis -der
Absolutg eschwindigkeiten nach Überlagerung der Zusatzgeschwinidigkeit i : i,82.
Dieser Ausgleich der Geschwindigkeiten verhindert die Bildung undurchdr@ingl:.icher
Schleier und schafft schon eilte für die Einstrahlung bis zu einem gewissen Grade
brauchbare Ordnung.
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Die Größe dieser zusätzlichen Geschwindigkeit wechselt mit den physikalischen
und chemischen Eigenschaften der Staubgemische, sie kann daher nicht allgemein'
angegeben werden. Sie hängt ab von der chemischen Real:tioilsfäh-iglceit, Zusammensetzung,
dem spezifischen Gewicht, der Siebanalyse des Gutes und der Tiefe des Staubstrahles
und muß in jedem Einzelfall bestimmt werden, z. B. ergibt sich bei der Vergasung
von Koksstaub mit einer Siebanalyse voll 3% Rückstand auf Din-Sieb Nr. 30, 2i11/11
auf Din-Sieb Nr. 5o und 2211/o auf Din-Sieb N r. 7o eine günstigste Geschwindigkeit
von 1,8 bis 2,0 m,'s. Je nach dem zu verarbeitenden Gut kann diese kleiner oder
größer sein.
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Wird zur Erteilung der Zusatzgeschwindigkeit und zur Erzielung der
notwendigen Ordnung ein Gasstrom benutzt, so nehmen die Gase von den durch Strahlung
erhitzten Teilchen Berührungswärme auf und vergrößern ihr Volumen. Um die zweckmäßige
Strömungsgeschwindigkeit aufrec.htzuerllalten, paßt man die Querschnitte der Volumenvergrößerung
an. .Das gleiche gilt, wenn der Volumenzuwachs auf beim Verfahren entstehende Gase
-zurückzuführen ist. Die Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit kann jedoch auch
auf die Erhitzungszeit beschränkt werden, während man nach Beginn der chemischen
t'mwandlung die Geschwindigke't evtl. herabsetzt, um eine ausreichende Behan-l-lungszeit
oder an deren Ende eine bessere Trennung von Stautb und Gas zu erzielen.
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Die Einstrahlungsverhältnisse werden weiter verbessert, wenn man zur
Ordnung nicht nur zusätzlich axiale `'erschi@ebungen der Teilchen, sondern auch
Querverschiebungen benutzt. Diese Ouerverscliiebungeri hönlieti bei Benutzung von
Gaatrömeti durch örtliche Wirbel erreicht werden. Vor dein Eintritt in den Behandlungsraum
kann eine Strömung mit solchen Randwirbeln erzeugt «-erden, die innerhalb der Heiz-
und @t'ärme@xha»@1-lungszone nicht abklingen, wenn auch die Geschwindigkeit an sich
unterhalb der lungs:grenze liegt und so eine ungeordnete Strömung vermieden wird.
Die örtlichen Wirbel sorgen für einen Wechsel des feinkörnigen Gutes vor :der Strahlfläche
und ge-
gebenenfalls für einen Ausgleich- der Gasteildrücke, was die Anwendung
geringer Gasüberschüsse ermöglicht.
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Ein weiteres auf andern Gebieten der Staubtechnik bekanntes Mittel
zur Erzielung von Querverschiebungen der Teilchen ist eine drehende Strömung. Durch
die Schleuderkraft werden die gröberen Teilchen, «-elche mehr Wärme zur Erhitzung
benötigen, nach außen geführt und bei außenliegenden Strahlflächen stät-'ker .bestrahlt
als die feineren, deren Bahnen in größerem Abstand von den Strahlflächen verlaufen.
Diese Art der Ordnung nach der Größe der Teilchen kann auch in der an Hand von Abb.3
dargelegten Weise erzielt werden.
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Querverschiebungen der Teilchen werden weiter durch die bereits erwähnten
Querschnittvergrößerungen . des Wärinebehandlun.gsraunies mit Rücksicht auf die
Zunahme der Gasvolumina und durch Abzug von Gasen an mehreren aufeinand erfolgenden
#,tellrn
des Wärmebehandlungsraumes bewirkt. Bei richtiger Wahl
der Gasgeschwindigkeit werden mit den Gasen Teilchen von vorher bestimmbarer Feinheit,
deren Wärmebehandlung bereits abgeschlossen ist, entfernt und so in dien nachfolgenden
Teilen des Wärmebehandlungsraumes eine für die Strahlung durchlässigere Ordnung
erreicht ibzw. Überhitzung der feinen Teilchen vermieden. In gleicher Weise können
.entstehende Dämpfe und Gase, die Strahlungswärme aufnehmen und damit der Strahlung
hinderlich sind, beseitigt werden. Die Entfernung :der fertigbehandelten Teilchen
mit Hilfe magnetischer oder elektrischer Felder ist ebenfalls denkbar.
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Wie bereits bemerkt, benötigen die gröberen Teilchen mehr Wärme und
damit längere Zeit zur Erhitzung als die feinen. Die Temperatur der letzteren wird
also in gewissen Zonen des Wärm-ebeliandlungsraumes höher liegen als die der ersteren,
sie strahlen deshalb Wärme an, die gröberen ab und werden damit zum heizmittel für
diese. Um diese $rscheinu g stärker zur Wirkung zu bringen und einen Temperaturausgleich
zwischen den Teilchen herbeizuführen, läßt man in Wärmebehandlungsräumen mit Heizflächen
diese mit unbeh:eizten Flächen abwechseln, vor denen ein Temperaturausgleich durch
gegenseitigen stattfindet.
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In Wärmebehandlungsräume für exotherme Vorgänge, in. denen keine Heizflächen
angeordnet sind; sondern die zunächst notwendige Erhitzung durch Rückstrahlung aus
der Umwandlu.ngszone bzw. von einer Wand derselben erfolgt, ist es zweckmäßig, ,die
feinen Teilauen nahe der Str,ahlfläche zu führen. Sie erhitzen sich dann sehr schnell
auf die Unnw,andlungstemp,enatur und strahlen ihre Wärme an,d,i:e größeren, welche
sie umhüllen, ab,wo@durch die Umwandlung dieser ebenfalls schnell eingeleitet wird.
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Die feinkörnigen Teilchen geben die ihnen zu.gestrahlte Wärme teilweise
durch Berührung an die umgebenden Gase ab. Dadurch werden zu. große Temperaturunterschiede
zwischen Gut und Gas, ;die stören könnten, vermieden. Vergasen jedoch .die Teilchen
im Laufe eines Vorganges und sch:win:det damit ihre Masse und Oberfläche, so sind
sie nicht mehr imstande, diese Aufgabe zu erfüllen. Es ist dann bei vorwiegend Wärmestrahlen
durchlassenden Gasen nicht mehr möglich, genügend Wärme durch Strahlung an die Gase
zu übertragen. In- solchen Fällen führt man dem Behandlungsraum :ein Inertes, feinkörniges
Gut zu, d. h. ein Gut, das bei dem Verfahren chemisch nicht verändert wird. Diese
Teilchen nehmen Strahlungswärme auf und geben diese durch Berührung weiter. Das
inerte Gut wird- hinter dem Wärrnebehandlungsraum aus den Gasen ausgeschieden und
evtl. vorgmvärmt oder gekühlt im Kreislauf geführt. Es kann bei entsprechender Wahl
auch als Katalysator wirken. Es sind auf diese Weise auch reine Gasumsetzungen durchführbar,
bei denen das feinkörnige Gut lediglich .als Wärmeübertrager, Katalysator oder beides
wirkt.
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Das vorstehende Verfahren kann auf alle Vorgänge angewendet werden,
bei .denen feinkörniges Guterwärmt werden muß, wobei es gleichgültig ist, ob dein
Gut bei exo-th.ermen Vorgängen nur zur Einleitung .der chemischen U insetzung Wärme
aus der Umwandlungszone zügestrahlt oder bei endothermen Vorgängen .dauernd Wärme
durch A.ußenbeheizung oder teilweise Verbrennung zugeführt werden muß. Selbstverständlich
ist der Wärmeibedarf teilweise auch durch Vorwärmung der Gase oder des Gutes außerhalb
des Wärmebehandlungsraumes in bekan:nterWeise zudecken. Auch die Kühlung von feinkörnigem
Gut ist naahdenentwickelten Grundsätzen möglich, denn ebenso wie man kleineTeilchen
durch Einstrahlung erhitzen kann, kann man s,ie kühlen, indem man sie ,ihre Wärme
an Kühlflächen abstrahlen läßt.
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Als Anwendungsgebiete seien genannt: Verbrennung schwer zündender
Brennstoffe, Schwel.ung und Hochtemperaturverkokung von Brennstoffen, Vergasung
zu Misch- und Wassergas, thermische Gipsspaltung usw., womit jedoch die Anw1ndungsmöglichkeiten
keineswegs erschöpft sind. Auch fein verteilte Flüssigkeiten können nach der Erfindung
behandelt werden. Das `erfahren eignet sich sehr gut zur Vereinigung mehrerer Behandlungsarten,
sei es in demselben Behandlungsraum, wie beispielsweise an Hand von Aibb.2 besprochen,
sei es in mehreren unmittelbar hintereinandergeschalteten Räumen, wofür Abb. :a.
e:n Beispiel zeigt.
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Die Brauchbarkeit des Verfahrens und die Richtigkeit der entwickelten
Gedankengänge wurden bereits durch Versuche über die Verbrennung und Vergasung von
Koksstaub in der Schwebe ohne Zusatz von Zündin:itiel.n und ohne jede Luftvorwärmung
erwiesen, während bisher eine chemische Umsetzung nur unter Anwendung von Zündmitteln
eingeleitet werden konnte.
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Das neue Verfahren wird nun an Hand der Abb. z bis. q. erläutert,
welche hierzu geeignete Vorrichtungen scheinat.isch als Beispiele zeigen. Das Verfahren
ist auf ihre Verwendung keinesfalls beschränkt.
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Abb. z stellt den oberen Teil eines Wärmebehandlungsraumes >: dar.
Um diesen sind mehrere Heizkanäle :2 angeordnet. Das Heizgas wird durch den Stutzen
.I zur Beheizung der Strahlungsflächen 3 zugeführt und durch
den
Rohrstutzen 5 abgeführt. Der Mantel ist mit einem Wärmeschutz umgeben. Das feinkörnige
Gut lagert im Bunker 6 und fällt, geregelt durch die Zuteilungsvorrichtung 7, in
das konische Rohr B. Durch den Rohrstutzen 9 wind den Düsen io Gas zugeführt, dessen
Menge und Geschwindigkeit so bemessen ist, daß das Gut beim Eintritt in den Wärmebehandlungsraum
i die für die Beheizung durch Strahlung günstigste Geschwindigkeit hat. Im dargestellten
Fall ist die Düse als weiter Kegel ausgebildet, der das feinkörnige Gut in breitem
Strahl an den Strahlflächen vorbeiführt und so eine für die Strahlung geeignete
Ordnung herstellt. Sollte dem Gasstrom eine Drehbewegung zur Ordnung nach Korngrößen
erteilt werden, so genügt es z. B., die Düsen io entsprechend zu neigen. Mit der
Erwärmung des Gases und der Vergrößerung des Gasvolumens werden die Querschnitte
des Wärmebehandlungsraumes i -erweitert, um die Geschwindigkeit auf dem den besten
Einstrahdverhältnissen entsprechenden Maße zu halten. Um die Temperaturen .der feineren
und größeren Teilchen auszugleichen, wechseln beheizte Flächen 3 mit nicht beheizten
Flächen i i ab.
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In Abb. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt mit einer Vo.rwärm- oder
Trockenzone und stufenweiser Zuführung der Gase. Das staubförmige Gut wird durch
die Leitung g und die Düsen 8 zug,führt, Die Beheizung erfolgt wieder durch die
Heizkanäle 2 mittels der Strahlfläche 3. Der sich bildende Wasserdampf wird durch
die Schlitze 12 und den Ringkanal 13 abgeführt. Auch hier kann der Wärmebehandlungsraum
i konisch ausgebildet sein, um bei der Entwicklung .der Dämpfe oder Gase eine gleichmäßige
Geschwindigkeit zu erreichen. Soll nun die Geschwindigkeit des Gutes auf .dem günstigsten
Wert gehalten werden,-so ist nach Abzug der Dämpfe oder Gase durch den Rohrstutzen
14 Hilfsgas zuzuführen, wozu im Falle der Verbrennung oder Vergasung die notwendige
Luft verwendet wird. Das vorgewärmte Gut wird .durch Rückstrahlung aus der Umwandlungszone
auf Zündtemperatur erhitzt, und die Gase verlassen durch den Stutzen IS den Wärinehehandlungsraum.
Die Asche wird durch die Öffnung 16, die natürlich mit einem Dreh-oder Wanderrost
oder ähnlichem versehen sein kann, abgeführt. Selbstverständlich können die Trockenzone
und der Umwandlun.gsra.um auch durch einen Zwischenboden getrennt sein.
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Eine andere Ausführungsform und Vorrichtung mit ringförmigem Wärmebehandlungsraum
stellt Abb. 3 dar, wie sie besonders zum Schwelen von bituminösen Brennstoffen geeignet
ist. Der Querschnitt kann dabei nicht nur Kreisringform haben, sondern auch z. B.
oval oder rechteckig sein. Das feinkörnige Gut wird mittels eines Gasstromes durch
das Rohr 17 über die Ablenkflächen 18 durch die Rin-düse 8 in den Wärmebehandlungsraum
i eingeführt. Durch die zweirnalige Umlenkung wird eine Ordnung der Teilchen nach
Korngrößen erzielt, so daß die gröberen Teilchen sich außen nahe der Heizfläche
und die feinen innen bewegen. Das Gut wird idurch die Abstrahlung der Heizflächen
3 erhitzt und gibt z. B. im Fall der Schwelung die Teerdämpfe ab, streicht an den
Kühlflächen i9, welche durch Kühlgase in den Kanälen 2o gekühlt werden,- vorbei
und sammelt sich im Trichter -21. Durch die Austragsschleuse 22 kann es zeitweise
abgezogen werden. Die Teerdämpfe aus dem feinsten Gut können stufenweise durch die
oberen Schlitze 12 im inneren Rückstrahlkörper 23, der die von dem Gut und den Gasen
nicht aufgenommenen Wärmestrahen zurückwirft, und das Rohrad. abgezogen- werden
und mit ihnen evtl. auch der feinste Staub. Die Teerdämpfe des gröberen Gutes werden
durch den unteren Ringspalt 25 und das Rohr 26 entfernt. Die Kante 27 bewirkt durch
.die scharfe Umlenkung dies Gasstromes eine Ausscheidung des Staubes. Um einer Zersetzung
der Teerdämpfe vorzubeugen, kann .der innere Körper 23 innen, mit einem Kühlmantel
28 versehen sein. In gewiss--n Fällen ist die Vertauschung von Heiz- und Rückstrahlflächen
gegenüber Abb. 3 vorteilhaft. d. h. die Anordnung der Heizflächen auf dem inneren
Körper und die Benutzung des Außenmantels als Rückstrahlfläche.
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Abb. d. stellt schematisch die Anordnung mehrerer unmittelbar hintereinandergeschalteter
Wärmebehandlungsräume dar, wie sie z. B. zum Entgasen, Vergasen und sofortigen Verbrennen
der Gase verwendet «erden können. Der Brennstoff, z. B. feinkörnige Braunkohle,
tritt .durch das Rohr 8 in den Wärmebehandlungsraum i ein, wird durch Abstralilung
.der Flächen 3 erhitzt und entgast. Die gebildeten Gase und Dämpfe werden gegebenenfalls
stufen«@eis° durch die Schlitze 12 im zentralen Rohr -23 und durch den Stutzen 15
abgesaugt und den Teerabscheidern zugeführt. Der Schwelkoks sammelt sich irnlLegel2i
und wird mittels des Zuteil.ers 7 in den Vergasungsraum i' eingetragen. Die zur
Vergasung notwendige Luft (oder Sauerstoff), die gegebenenfalls vorgewärmt wird,
tritt durch den Stutzen 9 und den Ringraum 28 in das konische Rohr 8 und erteilt
dein Schwelkoks die günstigste Eintrittsgeschwindigkeit. Durch Rückstrahlung aus
der Vergasungszone erhitzen sich .der Koks und die Luft oder der Sauerstoff .auf
Reaktionstemperatur, und .der
Koks vergast. Durch die Rohrstutzen
14 und i4" kann stufenweise 'Wasserdampf, Luft oder Sauerstoff zugeführt werden.
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Es .ist selbstverständlich auch möglich, den Vergasungsraum i' mit
einem Heizmantel zu versehen, um so teilweise z. B. den Wärmebedarf des endothermen
Wassergaswerfahrens zudecken. In bekannter Waise kann dieser auch durch teilweise
Verbrennung des Brennstoffes gedeckt werden. Das Misch= oder Wassergas verläßt den
Vergasungsraum i" durch den. Kanal 15 und kann z. B. in ednem unmittelbar nachgeschalteten
Feuerraum 2,9 verbrannt werden. Die Asche .sammelt sich im Trichter 21" und wird
z. B. durch.. einen Drehrost oder durch Austragswalzen 30 in den Sammelbunker
31 abgezogen. Der Sammelbunker 31 und ,der Trichter 2 i' können nötigenfalls mit
einem Kühlmantel verseben werden.