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WO2009155974A1 - Vorrichtung zur separierung von einem feststoff und einem gas sowie anlage zur zementherstellung - Google Patents

Vorrichtung zur separierung von einem feststoff und einem gas sowie anlage zur zementherstellung Download PDF

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WO2009155974A1
WO2009155974A1 PCT/EP2008/058102 EP2008058102W WO2009155974A1 WO 2009155974 A1 WO2009155974 A1 WO 2009155974A1 EP 2008058102 W EP2008058102 W EP 2008058102W WO 2009155974 A1 WO2009155974 A1 WO 2009155974A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
line
helical
gas
spiral
solid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/058102
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Verena Georg
Detlev Kupper
Luis Lagar Garcia
Andreas Hoppe
Heinz-Werner Thiemeyer
Daniel Klegraf
Thomas Deck
Stefani Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
Polysius AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Polysius AG filed Critical Polysius AG
Priority to PCT/EP2008/058102 priority Critical patent/WO2009155974A1/de
Publication of WO2009155974A1 publication Critical patent/WO2009155974A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B7/00—Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
    • F27B7/20—Details, accessories or equipment specially adapted for rotary-drum furnaces
    • F27B7/2016—Arrangements of preheating devices for the charge
    • F27B7/2025—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones
    • F27B7/2033—Arrangements of preheating devices for the charge consisting of a single string of cyclones with means for precalcining the raw material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/16—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by the winding course of the gas stream, the centrifugal forces being generated solely or partly by mechanical means, e.g. fixed swirl vanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B7/00—Hydraulic cements
    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
    • C04B7/43—Heat treatment, e.g. precalcining, burning, melting; Cooling

Definitions

  • the invention relates to a device for separating a solid and a gas and a plant for cement production.
  • Cyclone edge deposited particles come into the gas inlet flow of the cyclone.
  • DE 103 09 575 A1 discloses a cyclotron for separating particles from a gas-particle mixture, in which a 90 ° curved intake duct opens into a cyclotron separator, wherein a dividing wall is provided in the intake duct after the bend in order to provide a
  • the invention is therefore based on the object to improve the separation efficiency of the device for separating a solid and a gas.
  • the device according to the invention for the separation of a solid and a gas consists according to a first embodiment substantially of a helical and / or spiral-like line, in which by centrifugal forces a
  • Gas-solid suspension are separated into a stream of solids and a gas stream, one of the end of the helical and / or spiral-like line in communication solid line for discharging the flow of solids and a gas conduit communicating with the end of the helical and / or spiral conduit for draining the gas flow.
  • the device for separating a solid and a gas consists essentially of a helical and / or spiral line in which a gas-solid suspension is separated by centrifugal forces into a solids flow and a gas flow, one with the end the helical and / or spiral-like line in communication solid line for discharging the solids flow and a communicating with the end of the helical and / or spiral-like line gas line for discharging the gas flow.
  • the helical and / or spiral line has a cross-sectional shape which forms a channel or channel-like delimitation to the other stream for at least one of the two streams, wherein the channel or channel-like boundary gradually builds up in the flow direction of the gas-solid suspension ,
  • a line is understood, which is at least partially helical and / or helical.
  • the rotation of the helical and / or spiral-like line can in particular only extend over a smaller angular range, for example 90 °.
  • the mechanical installations or the channel or channel-like delimitation in the flow direction can build up so far that at the end of the helical and / or spiral line two completely separate channels for the
  • Solid stream and the gas stream are present.
  • a deposition chamber communicating with the end of the helical and / or spiral-type conduit is provided, to which the solids conduit for discharging the solids flow and the
  • Gas line are connected to divert the gas flow. Furthermore, a riser can be provided, which is followed by the helical and / or spiral line.
  • the riser is in particular formed as an ascending line and the helical and / or spiral-like line as a descending line, wherein a deflection head is provided between the lines.
  • the mechanical installations or the channel or channel-like delimitation extend through the cross-sectional shape over at least 50%, preferably over at least 75% of the length of the helical and / or spiral line.
  • each stage has a riser, a subsequent helical and / or spiral-like line and a solid line connected to the end of the helical and / or spiral line and a gas line, wherein the gas line of a stage in the riser of the next higher Stage passes and the solid line of a stage in the riser of the next lower level opens.
  • Solid and a gas can be used in particular as a preheater and / or calciner in a plant for cement production.
  • FIG. 2 is a rotated by 90 ° side view of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a plan view of the stage of FIG. 1, 4 to 6 cross sections in an upper, middle and a lower portion of the helical or spiral line for illustrating various embodiments of mechanical installations,
  • 11 to 14 further examples of cross-sectional shapes of the helical or spiral line
  • FIG. 15 is a schematic representation of an exemplary embodiment with guide ribs for discharging the solids flow
  • Fig. 20 is a side view of the device with three superposed stages and
  • FIG. 21 is a plan view of the device according to FIG. 20.
  • Fig. 22 is a three-dimensional representation of a plant for cement production.
  • Solid and a gas is, for example, a device for preheating, cooling and / or calcination of fine-grained material in the
  • Cement production It essentially consists of a helical and / or spiral-like line 1, in which by centrifugal forces a gas-solid suspension in a stream of solids 2 and a gas stream 3 is separated, connected to the end of the helical and / or spiral line 1 in communication solid line 4 for discharging the solids flow and a with the end of the helical and / or spiral-like line in communication gas line 5 to
  • a riser 6 and a arranged between the riser 6 and the helical and / or spiral-type conduit 1 deflection head 7 is provided.
  • the end of the helical and / or spiral line 1 opens into a
  • the deposition chamber 8 has, in the connection region to the helical and / or spiral line 1, a cylindrical section which merges into the gas line 5.
  • the gas line 5 can also protrude in the manner of a dip tube in the deposition chamber 8.
  • the lower part of the deposition chamber 8 tapers in a funnel shape and merges into the solid line 4.
  • the helical and / or spiral-like line 1 preferably opens into the deposition chamber 8 at a pitch angle ⁇ with respect to the horizontal of at least 30 °, preferably between 30 ° and 60 °.
  • the gas 3 is discharged at the inner wall of the cylindrical part of the deposition chamber 8 with a twist up into the gas line 5.
  • the obliquely downwardly directed flow into the separation chamber 8 also prevents a superposition of the inlet gas flow with the swirl flow formed in the separation chamber in the region of the mouth of the helical and / or spiral line 1.
  • mechanical installations 9 are provided for the spatial delimitation of the two streams in the helical and / or spiral line, which are in the flow direction of the gas Gradually build up the solid suspension.
  • the mechanical installations 9 for the spatial delimitation of the two streams In each figure, three cross sections through the helical and / or spiral line 1 are shown, wherein in each case a cross section in the upper, middle and lower region of the helical and / or spiral line 1 is shown. In all three embodiments, the internals 9 are formed so that at least at the end of the helical and / or spiral-like line 1, two completely separate sub-channels are formed, so that the solid stream 2 and the gas stream 3 at different locations in the deposition chamber or directly in the solids line
  • the mechanical installations 9 are formed, for example, by at least one partition, which builds up in the flow direction on and on. In the illustrated embodiment, the structure goes so far that there are two completely separate sub-channels.
  • the shape and the required length for the complete construction of the mechanical installations 9 is particularly adapted to the material to be treated, the gas velocities and the centrifugal forces acting.
  • the cross-sectional shape of the helical and / or spiral line 1 is important here.
  • the mechanical internals are expediently dimensioned so that they have curved shapes.
  • the mechanical fittings 9 are preferably installed statically. However, it would also be conceivable that at least a portion of the mechanical internals is movable, thereby enabling fine tuning before or during operation.
  • the delimitation of solids flow and gas flow in the helical or spiral conduit 1 could also be formed by a suitable cross-sectional shape which forms a channel or channel-like delimitation from the other flow for at least one of the two streams. Again, it is envisaged that the gutter or channel-like boundary gradually builds up in the flow direction of the gas-solid suspension.
  • FIG. 10 Such an embodiment is shown in the three cross sections of Fig. 10, wherein from left to right, a section in an upper, middle and a lower portion of the helical or spiral-like line 1 is shown.
  • the cross section of the helical and / or spiral line is rectangular, with the lower left
  • the channel or channel-like delimitation Ia is completely closed at the end of the helical and / or spiral line.
  • FIGS. 11 to 14 show, however, that the channel-like delimitation Ia is not restricted to a rectangular shape. Whether a rectangular, triangular or partially rounded cross-sectional shape for this channel or channel-like boundary Ia into consideration depends on the purpose of use and the gas-solid suspension used. The other geometry of the line 1 is to be considered here.
  • the mechanical installations 9 or the channel-like or channel-like delimitations Ia may extend in particular over at least 50%, preferably over at least 75%, of the length of the helical and / or spiral line 1.
  • the mechanical fittings 9 can also be formed by a plurality of guide ribs 10, as shown schematically in FIG. 15.
  • the guide ribs 10 are expediently arranged where the solid due to the
  • a separator 11 may be provided, for example, a Kammpro f oderl or a Taschenpro fil has (see Figures 16 to 19).
  • the helical or spiral line 1 is expediently dimensioned such that at least at the gas inlet into the line a significant increase in the centrifugal forces acting on the solid takes place. This can be done both by a
  • the cross-sectional shape of the helical or spiral line 1 should expediently have an aspect ratio between 1: 2 and 1: 3.
  • the slope of the helical line 1 is preferably between 40 ° and 80 ° to the horizontal (relative to the center line of the spiral).
  • the helical or spiral line 1 should be steep enough so that the material can drain and does not lie.
  • the radius and / or the slope and / or the cross-sectional shape and / or the cross-sectional size of the helical and / or spiral line 1 changes in the flow direction of the gas-solid suspension.
  • the helical and / or spiral line 1 can be adapted to external conditions. This is particularly advantageous when several stages are interleaved and arranged one above the other.
  • the radius, pitch, cross-sectional shape and / or cross-sectional size can change continuously in the flow direction and / or at least in one section. For example, a radius reduction causes an increase in centrifugal force, while a radius increase corresponds to a decrease in centrifugal force.
  • a radius reduction causes an increase in centrifugal force
  • a radius increase corresponds to a decrease in centrifugal force.
  • the incoming gas stream may come, for example, from one of the following aggregates, plant components or elements:
  • From another unit for the separation of solids from gas streams or dedusting for example from a cyclone, in particular from a
  • a combustion unit such as a rotary kiln
  • Combustion chamber a calciner, a fluidized bed or a hot gas generator;
  • a calciner a fluidized bed or a hot gas generator;
  • an aggregate for heat exchange such as a bulk material cooler or an air-to-air heat exchanger;
  • the escaping gas stream can in particular be supplied to the following units or plant components:
  • Dedusting for example a cyclone or a next preheater stage
  • a combustion unit for example a combustion chamber or a calciner
  • An aggregate for heat exchange such as an air-to-air heat exchanger
  • the separated solids stream can in particular be supplied to one of the following aggregates or plant components:
  • an aggregate for the separation of solids from gas streams or for dedusting for example a cyclone or a next preheater stage;
  • a combustion unit for example a rotary kiln, a combustion chamber or a calciner
  • the devices described above for carrying out chemical and / or physical reactions between a solid and a gas are characterized by a low pressure loss and a high separation efficiency.
  • a very compact design can be realized, which has a significantly reduced height, especially in suspended gas heat exchangers.
  • FIGS 20 and 21 is, for example, a three-stage preheater for cement raw material.
  • Each individual stage can be designed according to the embodiments described above.
  • a solid to be treated in the uppermost stage III is fed via a solids line 4 '"and discharged as treated solids stream 2 from the lowest stage I.
  • the solid line one stage opens in the riser of the next lower stage, while the gas line of one stage merges into the riser of the next higher stage.
  • the gas stream 3 to be supplied to the bottom stage is, for example, the hot exhaust gas of a furnace or of a calciner.
  • the gas stream 3 "discharged in the third stage via the gas line 5" is fed, for example, to a filter or a downstream, highly efficient separator for dedusting
  • the treated solids stream 2 passes, for example, into a calciner or an oven for further processing.
  • FIG. 22 shows a three-dimensional representation of a plant for the heat treatment of fine-grained material in cement production with a rotary kiln 100, a calciner 200 and a preheater 300.
  • the calciner is a three-dimensional representation of a plant for the heat treatment of fine-grained material in cement production with a rotary kiln 100, a calciner 200 and a preheater 300.
  • the calciner shows a three-dimensional representation of a plant for the heat treatment of fine-grained material in cement production with a rotary kiln 100, a calciner 200 and a preheater 300.
  • the calciner shows a three-dimensional representation of a plant for the heat treatment of fine-grained material in cement production with a rotary kiln 100, a calciner 200 and a preheater 300.
  • the preheater 300 may be formed according to the device described in Figures 1 to 21.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas besteht im Wesentlichen aus einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung, in der durch Zentrifugalkräfte eine Gas-Feststoff-Suspension in einen Feststoffstrom und einen Gasstrom getrennt werden, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Feststoffleitung zum Ableiten des Feststoffstroms sowie einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Gasleitung zum Ableiten des Gasstroms. Weiterhin sind in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung mechanische Einbauten zur räumlichen Abgrenzung der beiden Ströme vorgesehen, die sich in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbauen. Alternativ kann die wendel- und/oder spiralartige Leitung auch eine Querschnittsform aufweisen, die zumindest für einen der beiden Ströme eine rinnen- oder kanalartige Abgrenzung zum anderen Strom bildet, wobei sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbaut.

Description

Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas sowie Anlage zur Zementherstellung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas sowie eine Anlage zur Zementherstellung.
In der Zement- und Mineralsindustrie sind zur Vorwärmung, Kühlung und/oder Calcinierung von feinkörnigen Materialien insbesondere Systeme bestehend aus Gleichstromwärmetauscher und Zyklonabscheider bekannt. Meist weisen derartige Vorrichtungen mehrere übereinander angeordnete Stufen auf, wobei der Gasstrom von unten nach oben durch alle Stufen geleitet wird, während der Feststoff in entgegengesetzter Richtung den einzelnen Stufen zugeführt wird. Am Ende jeder Stufe wird der Feststoff vom Gas getrennt.
Derartige Systeme haben den Nachteil, dass sie eine enorme Bauhöhe benötigen und der Abscheidegrad im Zyklonabscheider nicht immer befriedigend ist. So kommt es in den Zyklonen oftmals zu unkontrollierten Strömungen, die beispielsweise am Zykloneintritt durch Überlagerung des Eintrittsgasstromes mit dem im Zyklon ausgebildeten Wirbelstrom oder durch Umkehr der Gasströmungsrichtung im Konus des Zyklons bedingt sind. Weiterhin kann es zum Wiedereinstreuen der schon am
Zyklonrand abgeschiedenen Partikel in den Gaseintrittsstrom des Zyklons kommen.
Aus der DE 197 38 912 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden von Feststoffen aus einem Trägerstrom bekannt, bei der eine gekrümmte Leitung in eine Filteranlage mündet. In der gekrümmten Leitung ist im Anschlussbereich an die
Filteranlage eine Leitzunge vorgesehen, um die in der gekrümmten Leitung erzeugten Teilströme zu trennen. Weiterhin wird in der DE 103 09 575 Al ein Zyklotron zur Abscheidung von Partikel aus einem Gas-Partikel-Gemisch offenbart, bei dem ein um 90° gekrümmter Ansaugkanal in einen Zyklotronabscheider mündet, wobei im Ansaugkanal nach der Krümmung eine Trennwand vorgesehen ist, um eine
Vermischung der bereits abgetrennten Partikel zu vermeiden. Eine weitere Problematik bei Zyklonabscheidern besteht darin, dass sich bei unterschiedlich großen Bauformen die Zentrifugalkräfte bei gleichen Eintrittsgeschwindigkeiten verändern und sich dadurch andere Abscheideverhältnisse ergeben.
In der US 4,318,697 wurde daher ein mehrstufiger Vorwärmer für Zementrohmaterial vorgeschlagen, dessen einzelne Stufen jeweils aus einer Steigleitung und einer sich anschließenden wendel- und/oder spiralartigen Leitung bestehen. Die Steigleitung und die wendel- und/oder spiralartigen Leitungen sind über einen Umlenkbogen miteinander verbunden. Die wendel- und/oder spiralartige Leitung weist zudem einen rechteckigen Querschnitt auf und ist an einer Seitenfläche einer quaderförmigen Abscheidekammer angeschlossen. Die Anschlussstelle erstreckt sich dabei über die gesamte Seitenfläche der quaderförmigen Abscheidekammer. Der untere Teil der Abscheidekammer verjüngt sich trichterförmig und dient zum Abführen des Feststoffs, während das Gas nach oben abgeleitet wird. Der Abscheidegrad ist jedoch ungenügend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Abscheidegrad der Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas besteht gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung, in der durch Zentrifugalkräfte eine
Gas-Feststoff-Suspension in einen Feststoffstrom und einen Gasstrom getrennt werden, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Feststoffleitung zum Ableiten des Feststoffstroms sowie einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Gasleitung zum Ableiten des Gasstroms.
Weiterhin sind in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung mechanische Einbauten zur räumlichen Abgrenzung der beiden Ströme vorgesehen, die sich in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbauen.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas im Wesentlichen aus einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung, in der durch Zentrifugalkräfte eine Gas-Feststoff-Suspension in einen Feststoffstrom und einen Gasstrom getrennt werden, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Feststoffleitung zum Ableiten des Feststoffstroms sowie einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Gasleitung zum Ableiten des Gasstroms.
Weiterhin weist die wendel- und/oder spiralartige Leitung eine Querschnittsform auf, die zumindest für einen der beiden Ströme eine rinnen- oder kanalartige Abgrenzung zum anderen Strom bildet, wobei sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbaut.
Unter einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung im Sinne der Erfindung wird eine Leitung verstanden, die zumindest abschnittsweise wendel- und/oder spiralförmig ausgebildet ist. Die Drehung der wendel- und/oder spiralartigen Leitung kann sich dabei insbesondere auch nur über einen kleineren Winkelbereich, von beispielsweise 90°, erstrecken.
Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen hat sich gezeigt, dass in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung aufgrund der Zentrifugalkräfte eine Separierung von Feststoffstrom und Gasstrom stattfindet. Wird die Trennwand zwischen den beiden Strömen erst kurz vor dem Eintritt in die Abscheidekammer vorgesehen, wie das bei der DE 103 09 575 Al bzw. der DE 197 38 912 Al der Fall ist, kann es in diesem Bereich zu einer ungewollten Verwirbelung und damit wiederum zu einer Vermischung der beiden Ströme kommen. Durch den allmählichen Aufbau der mechanischen Einbauten bzw. der rinnen- oder kanalartigen
Abgrenzung durch die Querschnittsform kann dieser Effekt vermieden werden, sodass ein besserer Abscheidegrad erreicht wird.
Der allmähliche Aufbau der mechanischen Einbauten, die beispielsweise durch ein oder mehrere Trennwände gebildet werden, ist dahingehend zu verstehen, dass sich die Einbauten ändern, indem sie größer werden und eine immer deutlichere Abgrenzung bilden. In ähnlicherweise wird auch die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung immer größer und deutlicher ausgeprägt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können sich die mechanischen Einbauten bzw. die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung so weit aufbauen, dass am Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung zwei vollständig voneinander getrennte Kanäle für den
Feststoffstrom und den Gasstrom vorliegen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehende Abscheidekammer vorgesehen, an welche die Feststoffleitung zum Ableiten des Feststoffstroms und die
Gasleitung zum Ableiten des Gasstroms angeschlossen sind. Weiterhin kann eine Steigleitung vorgesehen werden, an die sich die wendel- und/oder spiralartige Leitung anschließt. Die Steigleitung ist dabei insbesondere als aufsteigende Leitung und die wendel- und/oder spiralartige Leitung als absteigende Leitung ausbildet, wobei zwischen den Leitungen ein Umlenkkopf vorgesehen ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, erstrecken sich die mechanischen Einbauten bzw. die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung durch die Querschnitts form über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 75% der Länge der wendel- und/oder spiralartigen Leitung.
Die oben beschriebene Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas eignet sich insbesondere auch dazu, in mehreren, übereinander angeordneten Stufen angeordnet zu werden. Dabei weist jede Stufe eine Steigleitung, eine sich anschließende wendel- und/oder spiralartige Leitung sowie eine mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehende Feststoffleitung und eine Gasleitung auf, wobei die Gasleitung einer Stufe in die Steigleitung der nächst höheren Stufe übergeht und die Feststoffleitung einer Stufe in der Steigleitung der nächst niedrigeren Stufe mündet.
Eine ein oder mehrstufige Anordnung der Vorrichtung zur Separierung von einem
Feststoff und einem Gas kann insbesondere als Vorwärmer und/oder Calcinator bei einer Anlage zur Zementherstellung eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Stufe der erfmdungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine um 90° gedrehte Seitenansicht gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht der Stufe gemäß Fig. 1, Fig. 4 bis 6 Querschnitte in einem oberen, mittleren und einem unteren Bereich der wendel- bzw. spiralartigen Leitung zur Veranschaulichung verschiedener Ausführungsbeispiele für mechanischen Einbauten,
Fig. 7 bis 9 weitere Beispiele für die mechanischen Einbauten am Ende der wendel- bzw. spiralartigen Leitung,
Fig. 10 Ausführungsbeispiel für unterschiedliche Querschnittsformen der wendel- bzw. spiralartigen Leitung in einem oberen, mittleren und einem unteren Bereich der wendel- bzw. spiralartigen Leitung,
Fig. 11 bis 14 weitere Beispiele für Querschnittsformen der wendel- bzw. spiralartigen Leitung,
Fig. 15 schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit Leitrippen zum Ableiten des Feststoffstroms,
Fig. 16 bis 19 verschiedene Querschnittsprofile mit kämm- oder taschenartigen
Profilen im Bereich des Feststoffstromes,
Fig. 20 eine Seitenansicht der Vorrichtung mit drei übereinander angeordneten Stufen und
Fig. 21 eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß Fig. 20.
Fig. 22 eine dreidimensionale Darstellung einer Anlage zur Zementherstellung.
Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung zur Separierung von einem
Feststoff und einem Gas handelt es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Vorwärmung, Kühlung und/oder Calcinierung von feinkörnigem Material bei der
Zementherstellung. Sie besteht im Wesentlichen aus einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1, in der durch Zentrifugalkräfte eine Gas-Feststoff-Suspension in einem Feststoffstrom 2 und einen Gasstrom 3 getrennt wird, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 in Verbindung stehenden Feststoffleitung 4 zum Ableiten des Feststoffstromes sowie einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehenden Gasleitung 5 zum
Ableiten des Gasstroms. Ferner ist eine Steigleitung 6 und ein zwischen der Steigleitung 6 und der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 angeordneter Umlenkkopf 7 vorgesehen.
Das Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 mündet in einer
Abscheidekammer 8 an welche die Feststoff-Leitung 4 zum Ableiten des Feststoffstroms 2 und die Gasleitung 5 zum Ableiten des Gasstroms 3 angeschlossen sind.
Die Abscheidekammer 8 weist im Anschlussbereich an die wendel- und/oder spiralartige Leitung 1 einen zylindrischen Abschnitt auf, der in die Gasleitung 5 übergeht. Die Gasleitung 5 kann aber auch nach Art eines Tauchrohres in die Abscheidekammer 8 hineinragen. Der untere Teil der Abscheidekammer 8 verjüngt sich trichterförmig und geht in die Feststoffleitung 4 über. Die wendel- und/oder spiralartige Leitung 1 mündet vorzugsweise mit einem Steigungswinkel α gegenüber der Horizontalen von wenigstens 30°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° in die Abscheidekammer 8 ein.
Das Gas 3 wird an der Innenwandung des zylindrischen Teils der Abscheidekammer 8 mit einem Drall nach oben in die Gasleitung 5 abgeführt. Die schräg nach unten gerichtete Strömung in die Abscheidekammer 8 verhindert auch, dass es im Bereich der Mündung der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 zu einer Überlagerung des Eintrittsgasstroms mit der in der Abscheidekammer ausgebildeten Drallströmung kommt. Um bereits in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 eine gute Vorseparierung des Feststoffstromes und des Gasstromes zu erreichen, sind in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung mechanische Einbauten 9 zur räumlichen Abgrenzung der beiden Ströme vorgesehen, die sich in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff- Suspension allmählich aufbauen.
In den Figuren 4 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, die mechanische Einbauten 9 zur räumlichen Abgrenzung der beiden Ströme aufweisen. In jeder Figur sind drei Querschnitte durch die wendel- und/oder spiralartige Leitung 1 dargestellt, wobei jeweils ein Querschnitt im oberen, mittleren und unteren Bereich der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 dargestellt ist. Bei allen drei Ausführungsbeispielen sind die Einbauten 9 so ausgebildet, dass zumindest am Ende der wendel- und/oder spiral artigen Leitung 1 zwei vollständig voneinander getrennte Teilkanäle ausgebildet sind, so dass der Feststoffstrom 2 und der Gasstrom 3 an unterschiedlichen Stellen in die Abscheidekammer oder direkt in die Feststoffleitung
4 bzw. Gasleitung 5 abgeleitet werden können. Die mechanischen Einbauten 9 werden beispielsweise durch wenigstens eine Trennwand gebildet, die sich in Strömungsrichtung immer weiter aufbaut. Im dargestellten Ausführungsbeispiel geht der Aufbau soweit, dass zwei völlig voneinander getrennte Teilkanäle vorliegen.
Die Formgebung und die benötigte Länge zum vollständigen Aufbau der mechanischen Einbauten 9 ist insbesondere an das zu behandelnde Material, die Gasgeschwindigkeiten und die wirkenden Zentrifugalkräfte anzupassen. Auch die Querschnittsform der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 ist hierbei von Bedeutung. Um die Druckverluste möglichst gering zu halten, werden die mechanischen Einbauten zweckmäßigerweise so dimensioniert, dass sie gekrümmte Formgebungen aufweisen.
In den Figuren 7 bis 9 sind weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, wobei jeweils nur ein Querschnitt im Bereich des Endes der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 dargestellt ist, wo die beiden Bereiche für den Feststoffstrom und den Gasstrom wiederum völlig voneinander getrennt sind. In den Ausführungsbeispielen ist der linke, untere Bereich für den Feststoffstrom und der rechte obere Bereich für den Gasstrom vorgesehen.
Die mechanischen Einbauten 9 werden vorzugsweise statisch eingebaut. Es wäre aber durchaus auch denkbar, dass zumindest ein Teil der mechanischen Einbauten beweglich ist, um dadurch eine Feinabstimmung vor oder während des Betriebes zu ermöglichen.
Neben inneren mechanischen Einbauten 9 könnte die Abgrenzung von Feststoffstrom und Gasstrom in der wendel- bzw. spiralartigen Leitung 1 auch durch eine geeignete Querschnittsform gebildet werden, die zumindest für einen der beiden Ströme eine rinnen- oder kanalartige Abgrenzung zum anderen Strom bildet. Auch hier ist vorgesehen, dass sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbaut.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in den drei Querschnitten der Fig. 10 dargestellt, wobei von links nach rechts ein Schnitt in einem oberen, mittleren und einem unteren Bereich der wendel- bzw. spiralartigen Leitung 1 dargestellt ist. Der Querschnitt der wendel- und/oder spiralartigen Leitung ist rechteckig, wobei sich im unteren linken
Eckbereich eine rinnen- oder kanalartige Abgrenzung Ia für den Feststoffstrom ausbildet, die in Strömungsrichtung immer tiefer wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann natürlich vorgesehen werden, dass die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung Ia am Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung völlig geschlossen ist.
Die in den Figuren 11 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, dass die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung Ia jedoch nicht auf eine rechteckig Form beschränkt ist. Ob nun eine rechteckige, dreieckförmige oder teilweise abgerundete Querschnitts form für diese rinnen- oder kanalartige Abgrenzung Ia in Betracht kommt, hängt vom Einsatzweck und der eingesetzten Gas-Feststoff-Suspension ab. Auch die sonstige Geometrie der Leitung 1 ist hierbei zu berücksichtigen.
Die mechanischen Einbauten 9 bzw. die rinnen- oder kanalartigen Abgrenzungen Ia können sich insbesondere über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 75% der Länge der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 erstrecken.
Die mechanischen Einbauten 9 können aber auch durch eine Vielzahl von Leitrippen 10 gebildet werden, wie dies in Fig. 15 schematisch dargestellt ist. Die Leitrippen 10 sind zweckmäßigerweise dort angeordnet, wo sich der Feststoff aufgrund der
Zentrifugalkräfte anreichert. Auf bzw. zwischen diesen Leitrippen 10 kann der Feststoffstrom gezielt geführt werden.
Weiterhin kann an der Außenseite der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 , dort wo sich der Feststoff anreichert, zusätzlich ein Abscheider 11 vorgesehen werden, der beispielsweise ein Kammpro fϊl oder ein Taschenpro fil aufweist (siehe Figuren 16 bis 19).
Durch den Abscheider 11 bzw. die Leitrippen 10 kann weiterhin verhindert werden, dass das bereits abgeschiedene Material an der Außenwand entlang läuft und ggf. wieder vom Gasstrom mit gerissen wird.
Die wendel- bzw. spiralartige Leitung 1 wird zweckmäßigerweise so dimensioniert, dass zumindest am Gaseintritt in die Leitung eine deutliche Erhöhung der auf den Feststoff wirkenden Zentrifugalkräfte stattfindet. Dies kann sowohl durch eine
Geschwindigkeitserhöhung als auch durch eine Verringerung des Krümmungsradius zur Achse der Vorrichtung erfolgen. Eine Kombination von beiden ist ebenfalls sinnvoll.
Die Querschnittsform der wendel- bzw. spiralartigen Leitung 1 sollte zweckmäßigerweise ein Seitenverhältnis zwischen 1 :2 und 1 :3 aufweisen. Die Steigung der wendel- bzw. spiralartigen Leitung 1 beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 80° zur Horizontalen (bezogen auf die Mittellinie der Spirale). Außerdem sollte die wendel- bzw. spiralartige Leitung 1 steil genug sein, damit das Material abfließen kann und nicht liegen bleibt.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass sich der Radius und/oder die Steigung und/oder die Querschnittsform und/oder die Querschnittsgröße der wendel- und/oder spiralartigen Leitung 1 im Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension ändert. Auf diese Weise kann einerseits Einfluss auf die Vorseparierung der Gas-Feststoff- Suspension im Bereich der wendel- und/oder spiralartigen Leitung genommen werden und andererseits kann die wendel- und/oder spiralartige Leitung 1 an äußere Gegebenheiten angepasst werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mehrere Stufen ineinander verschachtelt und übereinander angeordnet werden.
Der Radius, Steigung, Querschnittsform und/oder Querschnittsgröße können sich dabei in Strömungsrichtung sprunghaft und/oder zumindest in einem Abschnitt auch kontinuierlich ändern. So bewirkt beispielsweise eine Radiusverringerung einer Erhöhung der Zentrifugalkraft, während ein Radiuserhöhung einer Verringerung der Zentrifugalkraft entspricht. Durch Veränderung der Querschnittsform und -große kann Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit genommen werden.
Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas kann der eintretende Gasstrom beispielsweise aus einem der folgenden Aggregate, Anlagenteile oder Elemente kommen:
- aus einem anderem Aggregat zur Abscheidung von Feststoffen aus Gasströmen oder zur Entstaubung, beispielsweise aus einem Zyklon, insbesondere aus einer
Vorwärmerstufe;
- aus einem Verbrennungsaggregat, beispielsweise einem Drehrohrofen, einer
Brennkammer, einem Calcinator, einer Wirbelschicht oder einem Heißgaserzeuger; - aus einem Aggregat zum Wärmeaustausch, beispielsweise einem Schüttgutkühler oder einem Luft-Luft- Wärmetauscher;
- aus einer Vorrichtung zur Strom- Energieerzeugung oder Energiespeicherung.
Der austretende Gasstrom kann insbesondere den folgenden Aggregaten oder Anlagenteilen zugeführt werden:
- einem Aggregat zur Abscheidung von Feststoffen aus Gasströmen oder zur
Entstaubung, beispielsweise einem Zyklon oder einer nächsten Vorwärmerstufe;
- einem Verbrennungsaggregat, beispielsweise einer Brennkammer oder einem Calcinator;
- einem Aggregat zum Wärmeaustausch, beispielsweise einem Luft-Luft- Wärmetauscher;
- einem Aggregat zur Strom-, Energieerzeugung oder Energiespeicherung.
Der abgeschiedene Feststoffstrom kann insbesondere einem der folgenden Aggregate oder Anlagenteile zugeführt werden:
- einem Aggregat zur Abscheidung von Feststoffen aus Gasströmen oder zur Entstaubung, beispielsweise einem Zyklon oder einer nächsten Vorwärmerstufe;
- einem Verbrennungsaggregat, beispielsweise einem Drehrohrofen, einer Brennkammer oder einem Calcinator;
- einem Wärmetauscher. Werden Aggregate, Anlagenteile oder Stufen mit unterschiedlichen statischen Drücken über Leitungen miteinander verbunden, werden zweckmäßigerweise Luftsperrmittel angebracht.
Die oben beschriebenen Vorrichtungen zur Durchführung chemischer und/oder physikalischer Reaktionen zwischen einem Feststoff und einem Gas zeichnen sich durch einen geringen Druckverlust und einen hohen Abscheidegrad aus. Außerdem lässt sich eine sehr kompakte Bauform realisieren, die vor allem bei Schwebegaswärmetauschern eine deutlich reduzierte Bauhöhe aufweist.
Im Folgenden wird anhand der Figuren 20 und 21 eine Vorrichtung mit drei Stufen I, II, III beschrieben, bei der es sich beispielsweise um einen dreistufigen Vorwärmer für Zementrohmaterial handelt. Jede einzelne Stufe kann dabei entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein.
Bei einer solchen mehrstufigen Anordnung wird ein zu behandelnder Feststoff in der obersten Stufe III über eine Feststoffleitung 4'" zugeführt und als behandelter Feststoffstrom 2 aus der untersten Stufe I abgeführt. Die Feststoffleitung eine Stufe mündet jeweils im Bereich der Steigleitung der nächst niedrigeren Stufe, während die Gasleitung einer Stufe in die Steigleitung der nächst höheren Stufe übergeht.
Während der Feststoff somit von oben nach unten durch die drei Stufen geführt wird, durchströmt das Gas die Anordnung in umgekehrter Richtung. Bei dem der untersten Stufe zuzuführenden Gasstrom 3 handelt es sich beispielsweise um das heiße Abgas eines Ofens oder eines Calcinators. Der in der dritten Stufe über die Gasleitung 5" abgeführte Gasstrom 3 ' ' wird beispielsweise zur Entstaubung einen Filter oder einem nachgeschalteten hocheffizienten Abscheider zugeführt. Der behandelte Feststoffstrom 2 gelangt beispielsweise in einen Calcinator oder einen Ofen zur weiteren Bearbeitung. Durch die Ausbildung der Vorrichtung mit einer Steigleitung 6 und einer absteigenden, wendel- oder spiralartigen Leitung 1 können die drei Stufen sehr kompakt und ineinander verschlungen angeordnet werden. Es ist weiter vorgesehen, dass die wendel- oder spiralartigen Leitungen 1, Y, 1 " wenigstens zweier aufeinanderfolgenden Stufen abwechselnd links- und rechtsdrehend ausgebildet sind
(siehe Fig. 21).
Fig. 22 zeigt schließlich eine dreidimensionale Darstellung einer Anlage zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut bei der Zementherstellung mit einem Drehrohrofen 100, einem Calcinator 200 und einem Vorwärmer 300. Der Calcinator
200 und/oder der Vorwärmer 300 können dabei gemäß der in den Figuren 1 bis 21 beschriebenen Vorrichtung ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas, mit einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1), in der durch Zentrifugalkräfte eine Gas-Feststoff-Suspension in einen Feststoffstrom (2) und einen Gasstrom (3) getrennt werden, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) in Verbindung stehenden Feststoffleitung (4) zum Ableiten des Feststoffstroms sowie - einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) in
Verbindung stehenden Gasleitung (5) zum Ableiten des Gasstroms,
dadurch gekennzeichnet, dass in der wendel- und/oder spiralartigen Leitung mechanische Einbauten (9) zur räumlichen Abgrenzung der beiden Ströme vorgesehen sind, die sich in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff-Suspension allmählich aufbauen.
2. Vorrichtung zur Separierung von einem Feststoff und einem Gas mit einer wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1), in der durch Zentrifugalkräfte eine Gas-Feststoff-Suspension in einen Feststoffstrom (2) und einen Gasstrom (3) getrennt werden, einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) in
Verbindung stehenden Feststoffleitung (4) zum Ableiten des Feststoffstroms sowie - einer mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) in
Verbindung stehenden Gasleitung (5) zum Ableiten des Gasstroms,
dadurch gekennzeichnet, dass die wendel- und/oder spiralartige Leitung eine
Querschnittsform aufweist, die zumindest für einen der beiden Ströme eine rinnen- oder kanalartige Abgrenzung (Ia) zum anderen Strom bildet, wobei sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung in Strömungsrichtung der Gas-Feststoff- Suspension allmählich aufbaut .
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) in Verbindung stehende Abscheidekammer (8) vorgesehen ist, an welche die Feststoffleitung (4) zum Ableiten des Feststoffstroms (2) und die Gasleitung (5) zum Ableiten des
Gasstroms (3) angeschlossen sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Steigleitung (6) vorgesehen ist, an die sich die wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) anschließt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (6) als aufsteigende Leitung und die wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) als absteigende Leitung mit einer Neigung von mindestens 30° gegenüber der
Horizontalen ausgebildet sind und zwischen den beiden Leitungen ein
Umlenkkopf (7) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wendel- und/oder spiralartige Leitung (1) im Bereich des abgegrenzten Feststoffstroms wenigstens einen Abscheider (11) an ihrer Außenseite aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mechanischen Einbauten (9) statisch eingebaut ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mechanischen Einbauten (9) beweglich ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mechanischen Einbauten (9) in Strömungsrichtung so weit aufbauen, dass am Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) zwei vollständig voneinander getrennte Kanäle für den Feststoffstrom (2) und den Gasstrom (3) vorliegen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung (Ia) in Strömungsrichtung so weit aufbaut, dass am Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) zwei vollständig voneinander getrennte Kanäle für den Feststoffstrom (2) und den Gasstrom (3) vorliegen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Einbauten (9) über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 75%, der Länge der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die rinnen- oder kanalartige Abgrenzung (Ia) durch die Querschnitts form über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 75%, der Länge der wendel- und/oder spiralartigen Leitung (1) erstreckt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wendel- und/oder spiralartige Leitung (1) rundartige und/oder eckige Querschnittsbereiche aufweist.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, übereinander angeordnete Stufen (I, II, III) vorhanden sind, die jeweils eine Steigleitung (6), eine sich daran anschließende wendel- und/oder spiralartige Leitung (1) sowie eine mit dem Ende der wendel- und/oder spiralartigen Leitung in Verbindung stehende Feststoffleitung (4) und eine Gasleitung (5) aufweisen, wobei die Gasleitung einer Stufe in die Steigleitung der nächst höheren Stufe übergeht und die Feststoffleitung einer
Stufe in der Steigleitung der nächst niedrigeren Stufe mündet.
15. Anlage zur Zementherstellung mit einem Vorwärmer (300), einem Calcinator (200) und einem Ofen (100), wobei der Vorwärmer (300) und/oder der Calcinator (200) wenigstens eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
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