DE102007009758A1

DE102007009758A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Feststoffstromes

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Publication number: DE102007009758A1
Application number: DE102007009758A
Authority: DE
Inventors: Roger Bligh; Pekka Hiltunen; Cornelis Dr. Klett; Michael Missalla; Bernd Reeb; Lilli Dr. Sacharow; Michael Dr. Ströder; Peter Sturm
Original assignee: Outotec Oyj
Current assignee: Metso Finland Oy
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28
Also published as: CN101605595B; EE05624B1; UA101803C2; CN104765394A; PE20081813A1; AU2008221091A1; EE200900071A; BRPI0808093A2; CN101605595A; US20100118641A1; AU2008221091B2; EA200901185A1; EA015768B1; US8602693B2; WO2008104250A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Niveaus und/oder des Inventars in einer Wirbelschicht in einem Wirbelschichtbehälter beschrieben, wobei ein Feststoffstrom aus dem Wirbelschichtbehälter über ein Fallrohr abgezogen wird, der Feststoffstrom am Boden des Fallrohres durch Zufuhr eines Fördergasstromes fluidisiert und durch ein von dem Fallrohr abzweigendes Steigrohr nach oben gefördert wird. Die Größe des durch das Steigrohr geförderten Feststoffstroms wird durch die variable Zufuhr des Fördergases variiert, wobei das Niveau des Feststoffes oder das Feststoffinventar in dem Feststoffbehälter als Regelgröße und der Volumenstrom des Fördergases als Stellgröße eines Regelkreises verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Feststoffstroms und insbesondere zur Regelung des Niveaus und/oder der Feststoffinventars in einem Feststoffbehälter, insbesondere in einer Wirbelschicht in einem Wirbelschichtbehälter, sowie der Temperatur und/oder des Mischungsverhältnisses in einem Mischbehälter, dem zwei Feststoffströme zugeführt werden.
Bei der Behandlung körniger Feststoffe, bspw. sulfidisches Zinkerz, Eisenerz, Eisenschwamm oder Aluminiumhydroxid, gibt es in vielen Bereichen die Aufgabenstellung, das Feststoffinventar, d. h. die Menge und damit das Höhenniveau des Feststoffs in einer Wirbelschicht konstant zu halten. Hierfür gibt es verschiedene Lösungen. Zum einen kann ein sogenannter Spieß bzw. eine Austragslanze eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um ein mechanisches Feststoffventil in Form einer Lanze mit einer konusförmigen Spitze, die in eine entsprechende konisch ausgeformte Öffnung der Behälterwand der Wirbelschicht passt. Durch Herausziehen oder Hineinstecken der Lanze in die Öffnung wird der Querschnitt vergrößert bzw. verringert, so dass der Ausfluss gesteuert werden kann. Auf beiden Seiten des Feststoffaustritts herrscht jedoch derselbe Druck, weil der Spieß nur im vollständig geschlossenen Zustand einen Druckabschluss bewirken kann. Im Allgemeinen wird das der Druck der Wirbelschicht auf der Höhe des Feststoffaustrags sein. Falls sich infolge der Schaltung des Prozesses und/oder der jeweiligen betrieblichen Bedingung ein Differenzdruck über den Feststoffaustrag einstellt, ist mit einer Verschlechterung der Regelgüte zu rechnen.
In der EP 0 488 433 B1 ist ein Regelspieß für das Öffnen und Schließen eines Gasdurchlasses näher beschrieben.
Derartige Regelspieße funktionieren zwar in der Praxis, haben aber ihre Schwächen und Nachteile. Zum einen besitzt der Regelspieß mechanisch bewegte Teile, die in Kontakt mit dem Feststoff stehen. Deshalb muss er per Wasserkühlung gekühlt werden, falls der Feststoff heiß ist. Hierbei muss der Durchfluss des Kühlwassers sowie die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf überwacht werden. Ab und zu kommt es zu einem Schaden an der Lanze. Dann tritt Wasser aus der Lanze aus und läuft im schlimmsten Fall in den darunter liegenden, feuerfest ausgekleideten Behälter, wodurch dessen Feuerfestauskleidung beschädigt werden kann. Zudem muss die Lanze translatorisch bewegt werden, wobei der Antrieb außen bei Umgebungsdruck sitzt und im Innenraum typischerweise ein Über- oder Unterdruck herrscht. Zur Abdichtung wird eine Stopfbuchse eingesetzt. Fall diese undicht wird, muss mit dem Austritt von heißem Feststoff gerechnet werden, was ein Sicherheitsrisiko darstellt, oder dem Eintritt von Umgebungsluft, was den Prozess stören kann. Um den über den Spieß abgeführten Feststoffstrom einzustellen, ist zwischen der Lanzenspitze und dem wie ein Ventilsitz wirkenden Düsenstein eine exakte Einstellung erforderlich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die hohen Temperaturen nach längeren Betriebszeiten eine Verschiebung der feuerfesten Auskleidung bewirken können, wodurch diese exakte Einstellung verloren gehen kann. Zudem kann es vorkommen, dass nach einem längeren Zeitraum mit geschlossenem Spieß der Feststoff vor der Spießspitze defluidisiert und sich nach dem Öffnen des Spießes nicht bewegt. Dann kann in vielen Fällen mit einer manuell gehandhabten Luftlanze, die durch eine andere Stopfbuchse hindurch bewegt wird, gestochert und gleichzeitig der Feststoff fluidisiert werden. Der Erfolg oder Misserfolg dieses Stocherns kann typischerweise durch ein Schauglas beobachtet werden. Wenn der Feststoff heiß genug ist, dass er glüht, sieht man etwas. Ist er jedoch kalt, sieht man nichts und man arbeitet sozusagen blind. Bei heißen Feststoffen ist das den hohen Temperaturen widerstehende Schauglas jedoch sehr teuer. Mit einem Regelspieß lässt sich zudem keine Druckabdichtung über die Regeleinrichtung realisieren. Dies kann zu Gas-/Luftströmen durch den Düsenstein führen, schlimmstenfalls auch entgegen der Richtung der Feststoffströmung, wodurch die Feststoffströmung begrenzt wird oder sogar vollständig unterbunden werden kann.
Alternativ kann das Niveau des Inventars in der Wirbelschicht auch durch ein Wehr bzw. eine mit festem definiertem Abstand zum Verteilerboden an geordnete Ausflussöffnung konstant gehalten werden. Dies wird häufig bei stationären oder blasenbildenden Wirbelschichten eingesetzt. Hat die Wirbelschicht einen größeren oder geringeren Druck als die Umgebung oder ein nachfolgender Behälter, in den der Feststoff fließt, muss noch ein Druckabschluss realisiert werden. Hierzu können sogenannte Tauchtöpfe, Siphons oder Zellenradschleusen eingesetzt werden.
Ein Siphon zur Förderung feinkörniger Feststoffe ist bspw. aus der DE 196 29 289 A1 bekannt. Der Siphon besteht aus einer Leitung, die mit einer Einrichtung zur Einspeisung der Feststoffe verbunden ist und einer nahezu entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Leitung, an die sich eine weitere Leitung anschließt, in der die Feststoffe durch Schwerkrafteinfluss gefördert werden. In einen mit feinkörnigem Feststoff gefüllten Bereich ragt eine Lanze zur Fluidisierung der Feststoffe hinein. Die Vorrichtung wird dazu verwendet, den Druck in einer Wirbelschicht zum Unterlauf eines Rückführzyklons abzusperren und den Feststoff vom Zyklon zurück in die Wirbelschicht zu fördern Eine gezielte Steuerung des Feststoffstromes ist nicht möglich. Die Luftzufuhr dient lediglich dazu, den Feststoff in einem flüssigkeitsähnlichen Zustand zu halten. Bei einem solchen System ist das Feststoffniveau in der Wirbelschicht nicht variabel.
Bei Zellenradschleusen kann zwar der Feststoffstrom durch Variation der Drehzahl beeinflusst werden und damit auch das Feststoffniveau in der Wirbelschicht und im Neuzustand kann auch ein Druckabschluss erreicht werden. Allerdings sind sie insofern nachteilig, dass der rotierende Läufer in direktem Kontakt mit dem Feststoff steht, wodurch Verschleiß auftritt und die Dichtigkeit gefährdet wird. Außerdem muss die Welle des rotierenden Läufers gegenüber der Umgebung abgedichtet werden, weil der Antrieb außen angeordnet ist.
Ein weiterer Nachteil aller zuvor genannten Systeme ist, dass sie nur abwärts funktionieren, d. h. der Feststoff kommt auf einem niedrigeren Niveau an als das Niveau in der Wirbelschicht.
Das US-Patent 6,666,629 beschreibt ein Verfahren zum Fördern körniger Feststoffe, mit dem grundsätzlich auch Höhe überwunden werden kann. Der Feststoff wird mittels eines gasförmigen Mediums aus einer ersten Zone mit einem Druck von 4 bis 16 bar durch eine fallende Leitung und über eine aufsteigende Leitung zu einer zweiten Zone mit einem um 3 bis 15 bar niedrigeren Druck als in der ersten Zone gefördert. Der Zustrom des gasförmigen Mediums erfolgt durch eine aufwärts gerichtete Düse an der Stelle, an der die fallende Leitung in die aufsteigende Leitung mündet. Außerdem wird zusätzliches Gas in die fallende Leitung eingeführt, das die Feststoffströmung durch die fallende Leitung bestimmt.
Auch aus der WO 01/28900 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Feststoff durch ein Fallrohr zu einer aufsteigenden Leitung geführt wird, durch welche es mit Hilfe von Fluidisierungsgas gefördert und dann nach Umlenkung unten abgezogen wird. Durch zahlreiche Gaszufuhrleitungen wird der Feststoffstrom sowohl in der fallenden Leitung als auch in dem Steigrohr über die ganze Länge fluidisiert und dadurch wie eine Flüssigkeit in kommunizierenden Röhren per Schwerkraft gefördert.
Die US 2005/0058516 A1 beschreibt eine Vorrichtung für den Transport feinkörniger Feststoffe mit geregelter Strömungsrate, wobei die Feststoffe durch die Schwerkraft zunächst durch ein Fallrohr abwärts strömen und dann über eine schräge Transferleitung mittels der Eindüsung eines Sekundärgases zu einem Steigrohr transportiert werden, in welches von unten Luft eingeführt wird, um die Partikel nach oben zu fördern. Das Fallrohr und das Steigrohr sind dementsprechend nicht direkt miteinander verbunden. In dem Zwischenstück wird der Feststoff fluidisiert und mit Sekundärluft beaufschlagt. Die Förderluft im Steigrohr wird konstant gehalten, während die Regelung des Feststoffstromes über die Sekundärluft im Zwischenstück erfolgt.
Der über das Steigrohr abgeführte Feststoffstrom kann anschließend einem Mischbehälter zugeführt werden, in dem er mit einem anderen Feststoffstrom vermischt wird. Eine solche Mischung, allerdings ohne Verwendung eines wie oben beschrieben ausgebildeten Steigrohres, ist bspw. aus der DE 195 42 309 A1 bekannt. Hier wird bei der Herstellung von Aluminiumoxid aus Aluminiumhydroxid ein Teilstrom des vorgetrockneten und nur geringfügig vorgewärmten Hydrats am Ofen einer Kalzinieranlage vorbeigeführt und dann mit dem heißen Aluminiumoxid aus dem Ofen der Kalzinieranlage gemischt. Es ist jedoch schwierig, die Temperatur in dem Mischungsbehälter und das Mischungsverhältnis von Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid genau festzulegen, da sich die Massenströme nur schwer messen lassen. In der Praxis wird deshalb meist eine drehzahlvariable Zellenradschleuse für das am Ofen vorbeigeführte Hydrat verwendet, mit der die Temperatur in dem Mischungsbehälter geregelt wird. Dabei treten jedoch die bereits oben beschriebenen typischen Nachteile der Zellenradschleuse wie Verschleiß und nachlassende Dichtigkeit auf, so dass eine zuverlässige Druckabdichtung fast unmöglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, durch eine zuverlässige Regelung des Feststoffstromes eine Regelung des Feststoffniveaus in dem Feststoffbehälter bzw. der Temperatur in einem Mischungsbehälter zu ermöglichen. Gleichzeitig soll ein zuverlässiger Druckabschluss gewährleistet werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.
Erfindungsgemäß wird aus einem Feststoffbehälter, insbesondere einem Wirbelschichtbehälter, über eine abfallende Leitung (Fallrohr) ein körniger Feststoffstrom abgezogen, welcher am Boden des Fallrohrs durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert und über eine von dem Fallrohr abzweigende, aufsteigende Leitung (Steigrohr) auf ein höheres Niveau transportiert wird, wobei die Größe des durch das Steigrohr geförderten Feststoffstromes durch die Zufuhr des Fördergases geregelt wird, wobei das Niveau des Feststoffes oder das Feststoffinventar in dem Feststoffbehälter gemessen und als Regelgröße eines Regelkreises verwendet wird und wobei der Volumenstrom des Fördergases als Stellgröße des Regelkreises verwendet wird.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens wird das Niveau des Feststoffs bzw. das Feststoffinventar anhand der Druckdifferenz zwischen dem oberen und unteren Bereich des Feststoffbehälters, insbesondere der in diesem gebildeten Wirbelschicht, bestimmt. Alternativ kann auch eine Ultraschallmessung des Feststoffniveaus oder eine Gewichtsmessung des Feststoffbehälters vorgenommen werden.
In einer stationären Wirbelschicht verhält sich die fluidisierte Feststoffschüttung wie eine Flüssigkeit und erzeugt somit einen hydrostatischen Druck, der proportional zur Höhe des Wirbelbetts ist. Im Fall einer zirkulierenden Wirbelschicht ist ein Niveau nicht definiert, weil das Wirbelbett den gesamten Wirbel schichtreaktor ausfüllt. Die Druckdifferenz ist dann dem Feststoffinventar des Wirbelschichtreaktors proportional. Das Druckdifferenzsignal wird erfindungsgemäß genutzt, um über einen Regelkreis ein Regelventil anzusteuern und dadurch die Zufuhr des Fördergases zu bestimmen. Wird die Druckdifferenz im Wirbelschichtbehälter zu groß, so wird das Ventil weiter geöffnet und der Fördergasstrom erhöht, so dass der Feststoff aus der Wirbelschicht abtransportiert wird und das Niveau wieder sinkt. Wird das Niveau zu gering, so sinkt die Druckdifferenz und der Fördergasstrom wird verringert, was zu einer entsprechenden Verringerung des Feststoffmassenstromes im Steigrohr und damit zu einem Anstieg des Niveaus in der Wirbelschicht führt. Auf diese Weise kann auch die Verweilzeit der Feststoffe in der Wirbelschicht geregelt werden.
Wird der Feststoffstrom über das Steigrohr einem Mischbehälter zugeführt, so kann die Temperatur und/oder das Mischungsverhältnis in dem Mischbehälter mit Hilfe der Erfindung dadurch geregelt werden, dass die Temperatur in dem Mischbehälter gemessen und dass die gemessene Temperatur als Regelgröße für die Zufuhr des Fluidisierungsgases verwendet wird. Auch in diesem Fall wird die Größe des durch das Steigrohr geförderten Feststoffstromes durch die Zufuhr des Fluidisierungsgases geregelt. Weicht die Temperatur in dem Mischbehälter von einem festgelegten Sollwert ab, so wird die Zufuhr des Fluidisierungsgases so angepasst, dass entsprechend mehr oder weniger Feststoff durch das Steigrohr gefördert und dadurch die Temperatur in dem Mischbehälter wieder auf den gewünschten Wert gebracht wird. Die Temperatur lässt sich im Gegensatz zu den Massenströmen der Feststoffe sehr einfach messen, so dass eine zuverlässige Regelung einfach möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Druckdifferenz zwischen dem Boden und dem Kopf des Fallrohrs kleiner gehalten als der einem fluidisierten Fallrohr entsprechende Druckverlust. Sofern, wie ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, der Druck am Boden des Fallrohres größer gehalten wird als der Druck am Kopf des Fallrohres, verhält sich der Feststoff im Fallrohr wie eine herabsinkende Schüttung mit einer Porosität nahe der eines Festbetts. Im Fallrohr liegt somit ein nicht fluidisiertes, durchströmtes Wanderbett vor.
Die Druckdifferenz des Fallrohres ΔP_D ist hierbei definiert durch ΔPD = ΔPR + PR,K – P0 – ΔPWS,B > 0 (1)
Hierbei ist ΔP_R der Druckverlust über dem Steigrohr, der von dem Fördergasstrom und dem Feststoffmassenstrom abhängig ist. Da die Gaszufuhr zu dem Steigrohr variiert wird, um einen bestimmten Feststoffmassenstrom zu verwirklichen, stellt sich hier ein entsprechender Druckverlust ein.
P_R,K ist der Druck am Kopf des Steigrohres. Dieser Druck entspricht in vielen Fällen dem Umgebungsdruck, er kann aber variieren, z. B. wenn die Abluftabsaugung einer Fluidisierrinne zu stark ist und ein Unterdruck entsteht. Ist dem Steigrohr ein weiterer Prozessteil nachgeschaltet, so kann der Druck P_R,K auch wesentlich höher sein als der Umgebungsdruck, bspw. auch höher als der Druck P₀.
Zusätzlich muss noch der Druck P₀ im Freiraum der angeschlossenen Wirbelschicht berücksichtigt werden, sowie der Druck ΔP_WS,B der durch die fluidisierte Schicht der Schichthöhe H_WS,B oberhalb des Fallrohreintritts hervorgerufen wird. Beide Drücke sind vom Anlagenverhalten des Wirbelschichtbehälters bzw. eventuell vorgeschalteter weiterer Apparate abhängig. Somit stellt sich die Druckdifferenz ΔP_D über das Fallrohr entsprechend der Einstellung des Fördergasstromes automatisch ein. Diese Druckdifferenz darf außerdem nicht größer werden als die, die sich einstellen würde, wenn das Fallrohr fluidisiert wäre. Dies würde bedeuten, dass sich die Porosität im Fallrohr verringern würde und der Gegendruck aus dem Steigrohr, oder auch aus dem Wirbelschichtbehälter nicht mehr zuverlässig abgedichtet werden könnte. Hierfür gilt ΔPD < ΔPD,max = (1 – εmf)·ρs·g·HD (2)wobei

ε_mf: = Porosität des Feststoffes im Festbettzustand
ρ_s: = Feststoffdichte
g: = Erdbeschleunigung
H_D: = Höhe des Steigrohrs

Unter diesen Bedingungen wirkt die Schüttung im Fallrohr als Druckabschluss und der Druck am Kopf des Steigrohres ist entkoppelt vom Druck am Eintritt des Fallrohres. Ferner kann nun der geförderte Feststoffmassenstrom oder die Schichthöhe bzw. das Feststoffinventar im Wirbelschichtbehälter durch Variierung des Fördergases eingestellt bzw. geregelt werden. Das Fördergas, bspw. Luft, strömt zum größeren Teil im Steigrohr aufwärts und transportiert so viel Feststoff nach oben, wie ihrer Tragfähigkeit entspricht. Ein kleinerer Teil des Fördergases durchströmt das Wanderbett in dem Fallrohr und verursacht dadurch den Druckverlust in dem Fallrohr.
Grundsätzlich kann durch die erfindungsgemäße Anordnung eine positive oder negative Druckdifferenz überwunden werden, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt des Fallrohres und dem Kopf des Steigrohres erfindungsgemäß im Bereich von –10 bar bis +50 bar, vorzugsweise von –1 bar bis +1 bar liegt. Hierbei beträgt der Druck am Kopf des Steigrohres erfindungsgemäß 0 bis 50 bar (abs), wobei in der Regel etwa Umgebungsdruck bevorzugt wird.
Das Fördergas wird unterhalb des Steigrohres vorzugsweise über wenigstens eine Fördergasdüse zugeführt. Hierfür kann grundsätzlich jede geeignete Düse oder Gaszuführung vorgesehen sein, bspw. eine Kappendüse oder eine aufwärts gerichtete Düse, an deren oberen Ende bspw. ein poröses gasdurchlässiges Medium, z. B. eine Membran, angeordnet sein kann, das von dem Fördergasstrom durchströmt wird oder beispielsweise ein passend angeordneter Lochboden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Fördergas unterhalb des Steigrohres über wenigstens eine abwärts gerichtete Düse zugeführt. Hierdurch wird eine Verstopfung der Düse zuverlässig vermieden.
Die benötigte Fördergasmenge hängt ab von den Feststoffeigenschaften, wie Partikeldichte, Partikelgröße und Größenverteilung, der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck, dem Steigrohrdurchmesser und der Steigrohrhöhe. Der Steigrohrdurchmesser sollte vorzugsweise so gewählt werden, dass sich beim maximal zu erwartenden Feststoffmassenstrom eine Feststofffördergeschwindigkeit von bis zu 5 m/s, vorzugsweise etwa 1 bis 2 m/s einstellt.
Die optimale Steigrohrhöhe hängt vom Druck am Steigrohrkopf und von der Feststoffdichte ab. Sie sollte vorzugsweise größer sein als die Fallrohrhöhe, wenn der Druck am Steigrohrkopf kleiner/gleich dem Druck am Eintritt des Fallrohrs ist. Ist der Druck am Steigrohrkopf signifikant höher als der Druck am Eintritt des Fallrohrs, kann die Steigrohrlänge verkürzt werden. Sie kann dann sogar kleiner sein als die Fallrohrhöhe.
Erfindungsgemäß wird das Niveau der Wirbelschicht im Wirbelschichtbehälter konstant gehalten, wobei dies auch dann gilt, wenn der Feststoffmassenstrom am Eintritt in den Behälter variiert. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, das Niveau der Wirbelschicht bei konstantem Eintrittsmassenstrom gezielt zu variieren, bspw. einer linearen Zu- und Abnahme folgend oder in zyklisch wiederkehrender Form einer beliebigen Zeitfunktion (Niveau = f(Zeit)), insbesondere entsprechend einer Sinusfunktion. Dazu würde nur der Sollwert des Regelkreises entsprechend variiert.
Werden in dem Wirbelschichtbehälter und dem Austragsbehälter des Steigrohrs unterschiedliche Gasatmosphären benötigt, so wird erfindungsgemäß eine Gassperre zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Austragsbehälter des Steigrohres gewährleistet, indem als Fördergas ein drittes, vorzugsweise ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, eingesetzt wird.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Feststoffmassenstrom durch starke Verringerung oder komplette Unterbrechung des Fördergasstromes zuverlässig unterbrochen werden. Versuche haben gezeigt, dass auch bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Kopf des Steigrohres der Feststoff nicht mehr weiter fließt, sobald der Fördergasstrom kleiner wird als er für eine Minimalfluidisierung im Steigrohr erforderlich wäre. Sowohl im Fallrohr als auch im Steigrohr stellt sich dann ein durchströmtes Festbett ein. Wenn man also den Fördergasstrom nicht komplett unterbricht, sondern nur unter die kritische Grenze verringert und als Fördergas ein drittes, vorzugsweise inertes Gas wählt, garantiert diese Durchströmung die Trennung der Gasatmosphären zwischen dem Wirbelschichtbehälter und dem Steigrohrkopf auch im Fall des unterbrochenen Feststoffstroms, die je nach Anwendung erforderlich sein kann. Wird der Fördergasstrom ganz unterbrochen, so verbleibt der Feststoff im Fallrohr und im Steigrohr als Festbett. Es kann dann durch Fallrohr und Steigrohr ein sehr geringer Gasstrom aus dem Behälter mit dem höheren Druck in den Behälter mit dem niedrigeren Druck auftreten.
Durch die Abhängigkeit des geförderten Feststoffmassenstroms vom Fördergasvolumenstrom und dem verwendeten Material lässt sich gleichzeitig der Massenstrom an gefördertem Feststoff bestimmen, und es ist erfindungsgemäß eine indirekte Messung des geförderten Feststoffmassenstroms durch das Steigrohr möglich.
Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Anordnung alle fluidisierbaren Feststoffe transportiert werden. Im Allgemeinen sollte die Partikelgröße des zu fördernden Feststoffes jedoch nicht größer als 10 mm, vorzugsweise nicht größer als 3 mm und insbesondere nicht größer als 0,3 mm sein. Eisenerz wird bspw. mit einer Korngröße bis etwa 10 mm verarbeitet, Kunststoffgranulat hat vorzugsweise eine Korngröße von 2 bis 6 mm, während Alumina vorzugsweise mit einer Korngröße < 0,3 mm verarbeitet wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden aus dem Wirbelschichtbehälter parallel mehrere Feststoffströme über separate Fallrohre abgezogen. Hierbei wird erfindungsgemäß die Fördergaszufuhr für jedes Fallrohr und damit der Feststoffaustrag über das jeweils zugeordnete Steigrohr individuell variiert. Dadurch können dann mehrere Größen geregelt werden. So kann beispielsweise im Fall von vier separaten Fallrohren einerseits das Niveau im Wirbelschichtbehälter durch Variation der Fördergaszufuhr zum ersten Steigrohr geregelt werden, während in den Austragsbehältern des zweiten, dritten und vierten Steigrohrs drei Niveaus und/oder Mischtemperaturen geregelt werden. Dabei können alle Steigrohrdurchmesser unterschiedlich sein und alle Steigrohrköpfe auf unterschiedlichen Niveaus liegen und unterschiedliche Drücke haben. Auch können die Eintritte in die verschiedenen Fallrohre auf unterschiedlichen Höhen an den Wirbelschichtbehälter angeschlossen sein, was beispielsweise eine weitgehende Entleerung des Wirbelschichtbehälters durch das am tiefsten angeschlossene Fallrohr zulässt. Die Drücke an den Steigrohrköpfen können außerdem unterschiedlich sein von dem Druck am Eintritt der Fallrohre. Zudem können die Gasatmosphären in dem Wirbelschichtbehälter und den vier Austragsbehältern unterschiedlich sein und es sind Gassperren zwischen allen fünf Behältern möglich. Es ist hierbei auch möglich eines oder mehrere der Fallrohre üblicherweise nicht zu nutzen und nur als Zusatzförderung bei Überschreitung eines kritischen Feststoffniveaus im Wirbelschichtbehälter zu verwenden. Eine Umschaltung zwischen verschiedenen Empfangsbehältern des aus der Wirbelschicht abgeführten Feststoffs war bisher lediglich über eine mechanische Weiche möglich. Mit der Erfindung wird der Kontakt beweglicher Teile mit dem heißen Feststoff vermieden und der hiermit verbundene Verschleiß, der zu einer Reduzierung der Regelgenauigkeit bzw. erhöhtem Wartungsaufwand führt, vermieden.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung zur Regelung des Feststoffstromes mit den Merkmalen der Ansprüche 16 oder 17.
Erfindungsgemäß ist bei einer Regelung des Niveaus und/oder des Feststoffinventars in einem Feststoffbehälter, insbesondere in einer Wirbelschicht, eine Messeinrichtung zur Erfassung des Niveaus des Feststoffs in dem Behälter vorgesehen, wobei die Zufuhr des Fördergasstromes zu dem zugeordneten Steigrohr über ein Regelventil erfolgt und wobei die Öffnungsstellung des Regelventils über einen Regelkreis auf der Basis der auf der Basis des Messergebnisses der Messeinrichtung variierbar ist.
Bei Wirbelschichten wird das Niveau vorzugsweise anhand der Druckdifferenz zwischen dem tiefsten Punkt der Wirbelschicht und dem Freiraum oberhalb der Wirbelschicht erfasst. Die Druckdifferenz kann über einen Differenzdruckaufnehmer direkt gemessen werden. Alternativ kann die Druckdifferenz auch auf der Basis der Messungen zweier Drucksensoren berechnet werden. Das Feststoffinventar kann jedoch beispielsweise auch durch die Wägung des Feststoff behälters erfasst werden oder durch die Messung der Verformung eines unterstützenden Stahlbaugerüsts.
Soll die Temperatur und/oder das Mischungsverhältnis zweier in einem Mischbehälter zusammengeführter Feststoffströme geregelt werden, ist an dem Mischbehälter erfindungsgemäß eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen, wobei die Zufuhr des Fördergasstromes über ein Regelventil erfolgt und die Öffnungsstellung des Regelventils über einen Regelkreis auf der Basis der mit der Temperaturmesseinrichtung gemessenen Temperatur regelbar ist.
Die Zufuhr des Fördergasstromes erfolgt erfindungsgemäß über wenigstens eine, vorzugsweise abwärts geneigte Düse. Alternativ kann die Zufuhr des Fördergasstromes auch über ein Fluidisiertuch oder ein sonstiges poröses Medium erfolgen.
Das Fallrohr ist erfindungsgemäß um nicht mehr als 45° zur Vertikalen geneigt, um ein allmähliches Herabsacken des Feststoffes in dem Fallrohr ohne Fluidisierung zu ermöglichen.
Dem gegenüber ist das Steigrohr vorzugsweise etwa vertikal angeordnet. Hierdurch wird der Austrag des Feststoffes durch das Steigrohr erleichtert.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Höhe des Steigrohres größer als die Höhe des Fallrohres. Somit kann mit der Erfindung auch Höhe gewonnen werden, d. h. der Feststoff kann nach oben gefördert werden. Dies hat im Anlagenbau große Vorteile, weil die verschiedenen Prozessstufen nicht mehr übereinander gebaut werden müssen, sondern auch nebeneinander aufgestellt werden können. Hierdurch werden Bauhöhe und damit Kosten gespart.
Um das gewünschte Strömungsregime im Steigrohr einstellen zu können, das dem einer dichten Wirbelschicht sehr ähnlich ist, sollte der Durchmesser des Fallrohres größer/gleich dem Durchmesser des Steigrohres sein. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Fallrohres das 1,5 bis 3 fache des Steigrohrdurchmessers; üblicherweise sollte er doppelt so groß sein wie der Durchmesser des Steigrohres. Es ist dabei nicht notwendig, dass die Fall- oder Steigrohre immer zylindrisch sind. Auch ovale, eckige etc. Ausführungsformen sind möglich. Der Durchmesser bezieht sich dann immer auf einen äquivalenten Durchmesser eines querschnittsflächengleichen runden Rohres. Es ist auch möglich, dass sich die Durchmesser oder Formen der Fall- und Steigrohre während ihres Verlaufes ändern.
Das Steigrohr mündet an seinem oberen Ende in einen Austragstopf oder Entspannungsbehälter, aus welchem der Feststoff dann abgeführt wird. Alternativ kann der Feststoff am oberen Ende des Steigrohres auch einfach über einen Krümmer umgelenkt und dann in einen Aufnahmebehälter geleitet werden.
Die Temperatur des Feststoffs im Fallrohr und/oder Steigrohr kann erfindungsgemäß dadurch beeinflusst werden, dass im Fallrohr und/oder im Steigrohr Wärmetauscher vorgesehen sind. Bei innenliegenden Wärmetauschern muss der Durchmesser des Steigrohres so angepasst werden, dass die freien Querschnittsflächenverhältnisse zwischen Fall- und Steigrohr wieder den benötigten Relationen entsprechen. Alternativ können das Fallrohr und/oder das Steigrohr auch selbst als Wärmetauscher ausgebildet sein.
Zweigen von dem Wirbelschichtbehälter zwei oder mehr Fallrohre ab, so kann der Feststoff parallel verschiedenen Folgebehältern oder -anlagen zugeführt werden. Hierbei kann der Förderstrom durch die einzelnen Fallrohre und zugeordneten Steigrohre individuell geregelt werden. Die Steigrohre können hierbei auch unterschiedlich lang sein. Werden die Steigrohre für unterschiedliche Feststoffströme ausgelegt, so müssen die Durchmesser entsprechend angepasst werden. Weiterhin ist es nicht nötig, dass die Fall- oder Steigrohre immer zylindrisch sind. Auch ovale, eckige etc. Ausführungsformen sind möglich. Der Durchmesser bezieht sich dann immer auf einen äquivalenten Durchmesser eines querschnittsflächengleichen runden Rohres. Es ist auch möglich, dass sich die Durchmesser oder Formen der Fall- und Steigrohre während ihres Verlaufes ändern.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 schematisch eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
3 schematisch eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Regulierung des Niveaus bzw. des Inventars in einem Wirbelschichtbehälter 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Anstelle des Wirbelschichtbehälters 1 kann auch ein Zyklon oder ein anderer Feststoffe enthaltender Behälter eingesetzt werden.
Wesentlich ist vor allem, dass in dem Behälter fluidisierbare Feststoffe aufgenommen sind.
In dem Wirbelschichtbehälter 1 ist eine stationäre (blasenbildende) Wirbelschicht 2 aus vorzugsweise feinkörnigen Feststoffen, bspw. Eisenerz, Alumina oder Kunststoffgranulaten, mit einer mittleren Korngröße unter 10 mm, vorzugsweise von 0,01 bis 5 mm und insbesondere von 0.05 bis 1 mm, dargestellt. Die Feststoffe werden über eine Zufuhrleitung 3 in den Wirbelschichtbehälter 1 eingeführt. Die Wirbelschicht 2 wird mit Hilfe von Fluidisierungsgas, das über eine Leitung 4 einem Gasverteiler 5 zugeführt wird und die Wirbelschicht 2 von unten durchströmt, fluidisiert. Zusätzlich kann Brennstoff zugeführt werden.
In einem festgelegten Abstand vom Verteilerboden (d. h. oberhalb oder auf seiner Höhe) zweigt eine abfallende Leitung, die auch als Fallrohr 6 oder Downer bezeichnet wird, von dem Wirbelschichtbehälter 1 ab. Der oberhalb der Höhe H_D liegende Eintrittsbereich des Fallrohrs 6 wird auch als Kopf 7 des Fallrohres bezeichnet. Kurz vor dem Boden 8 des Fallrohres 6 zweigt eine aufwärts gerichtete Leitung, die auch als Steigrohr 9 oder Riser bezeichnet wird, von dem Fallrohr 6 ab und erstreckt sich im Wesentlichen vertikal nach oben. Der Durchmesser des Fallrohrs 6 ist etwa doppelt so groß wie der des Steigrohrs 9. Der Eintrittsbereich oder Fuß 10 des Steigrohres 9 kann etwas in das Fallrohr 6 vorstehen oder bündig mit der Wandung des Fallrohres 6 abschließen. Am oberen Ende oder Kopf 11 des Steigrohres 9 mündet das Steigrohr 9 in einen Austragstopf 12, aus welchem der Feststoff über eine Schurre 13 abfließen kann. Diese Fallrohr-/Steigrohranordnung wird auch als "Lifting Sealpot" (LSP) bezeichnet.
Am Boden 8 des Fallrohres 6 wird unterhalb des Steigrohrfußes 10 über eine Düse 14, die an eine Zufuhrleitung 15 angeschlossen ist, Fördergas zugeführt, um den Feststoffstrom in dem Steigrohr 9 zu fluidisieren. Als Fluidisierungsgas kann grundsätzlich jedes geeignete Fördergas verwendet werden. Vorzugsweise wird ein drittes, insbesondere inertes Gas, wie Stickstoff, eingesetzt, um die Trennung der Gasatmosphären zwischen der Wirbelschicht und dem Kopf des Steigrohrs zu gewährleisten. Der Einfachheit halber wird das Fördergas nachfolgend kurz als Treibluft bezeichnet. Es können mehrere Düsen 14 vorgesehen sein, um die Treibluft zuzuführen. Die Düse 14 ist nicht auf die dargestellte Form einer aufwärts gerichteten Düse beschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, eine Kappendüse oder eine abwärts gerichtete Düse oder eine Düse mit einem an ihrem Ende vorgesehenen porösen Körper, der ein Verstopfen der Düse verhindern soll, vorzusehen. Auch besteht die Möglichkeit, das Fördergas über ein Fluidisiertuch oder sonstiges poröses Medium zuzuführen, das am Boden des Fallrohrs über einem hier nicht dargestellten Gasverteiler angeordnet wird. Der Fachmann kann alle ihm bekannten Maßnahmen zur geeigneten Fluidisierung des Feststoffs am Boden des Fallrohres 6 einsetzen.
Die Zufuhrleitung 15 für die Treibluft weist ein Regelventil 16 auf, über welches die Zufuhrmenge der Treibluft geregelt werden kann. Hierzu ist an dem Wirbelschichtbehälter 1 eine Druckdifferenzmesseinrichtung 17 vorgesehen, über welche die Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck P₀ über der Wirbelschicht 2 und dem Druck P₁ in der Wirbelschicht 2 unterhalb des Eintrittsbereichs des Fallrohres 6 gemessen wird. Vorzugsweise wird der Druck P₁ am unteren Ende der Wirbelschicht 2 unmittelbar über dem Verteilerboden des Gasverteilers 5 gemessen. Die Druckdifferenz ΔP wird als Regelgröße auf das Regelventil 16 zur Regelung der Treibluftzufuhr aufgegeben.
Die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut. Nachfolgend werden die Funktions- und Wirkungsweise dieser Vorrichtung erläutert.
Aus der Wirbelschicht 2 in dem Wirbelschichtbehälter 1 sackt der Feststoff über das Fallrohr 6 zum Boden 8 des Fallrohres 6 und dem unteren Ende 10 des Steigrohres 9. Durch Zugabe von Treib- oder Förderluft unterhalb der Eintrittsöffnung 10 in das Steigrohr 9 wird der Feststoff im Steigrohr 9 nach oben befördert, tritt an dessen oberem Ende 11 wieder aus und fließt über die Schurre 13 ab, bspw. auf ein Förderband, in eine Fluidisierrinne, einen Airlift oder dgl. Der zu fördernde Feststoffstrom kann über die Treibluftmenge variiert werden.
Um die Schichthöhe H_WS,B in dem Wirbelschichtbehälter 1 zu regeln, wird das Niveau der Wirbelschicht 2 über eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Druck P₀ über der Wirbelschicht und dem Druck P₁ im unteren Bereich der Wirbelschicht gemessen. Auf der Basis der Druckdifferenz ΔP wird das Regelventil 16 betätigt, um die Zufuhrmenge der Treibluft durch die Düse 14 festzulegen. Durch die Treibluft wird der Feststoff am Boden des Fallrohres 6 fluidisiert und durch das Steigrohr 9 nach oben gefördert. Die Strömung im Steigrohr 9 verhält sich hierbei ähnlich einer dichten Wirbelschicht, während der Feststoff im Fallrohr 6 wie ein durchströmtes Wanderbett als Schüttung mit einer Porosität nahe der eines Festbetts absinkt. Hierfür ist es erforderlich, dass die Feststoffgeschwindigkeit im Fallrohr 6 nicht zu hoch wird und die Druckdifferenz zwischen dem Boden 8 und dem Kopf 7 des Fallrohrs 6 nicht größer wird als der einem fluidisierten Fallrohr 6 entsprechende Druckverlust. Gleichzeitig muss der Druck am Boden des Fallrohres 6, der dem Druck am unteren Ende des Steigrohres 9 entspricht, größer sein als der Druck am Kopf des Fallrohres 6.
Der Druck P_R,K am Kopf 11 des Steigrohres 9 entspricht in vielen Fällen dem Umgebungsdruck. Es ist jedoch auch eine Förderung im Steigrohr 9 gegen einen hohen Überdruck, bspw. bis zu 50 bar, oder auch gegen Unterdruck möglich.
Um das Niveau im Wirbelschichtbehälter 1 konstant zu halten, wird die Förderluftzufuhr über einen Regelkreis gesteuert. Das Niveau wird über eine Druckdifferenzmessung oder -berechnung P₁–P₀ erfasst. In einer Wirbelschicht verhält sich die fluidisierte Feststoffschüttung wie eine Flüssigkeit und erzeugt somit einen hydrostatischen Druck, der proportional zur Höhe des Wirbelbettes ist. Das Druckdifferenzsignal wird genutzt, um über einen Regelkreis das Regelventil 16 anzusteuern, um die Druckdifferenz P₁–P₀ konstant zu halten. Wird die Druckdifferenz P₁–P₀ im Wirbelschichtbehälter 1 zu groß, so wird das Regelventil 16 weiter geöffnet und der Fördergasstrom erhöht, so dass mehr Feststoff aus der Wirbelschicht 2 abtransportiert und das Niveau wieder sinkt. Wenn das Niveau der Wirbelschicht 2 zu gering wird, sinkt die Druckdifferenz P₁–P₀ und der Fördergasstrom wird verringert, was zu einer Verringerung des Feststoffmassenstromes im Steigrohr 9 führt, wodurch das Niveau wieder steigt.
Somit kann die Schichthöhe im Wirbelschichtbehälter auch dann konstant gehalten werden, wenn der Feststoffmassenstrom am Eintritt in den Wirbelschichtbehälter 1 variiert. Bei konstantem Eintrittsmassenstrom ist es möglich, die Schichthöhe der Wirbelschicht 2 gezielt zu variieren, bspw. als Sinusfunktion über der Zeit. Hierzu wird der Sollwert des Regelkreises entsprechend variiert.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zudem der Feststoffmassenstrom zuverlässig unterbrochen werden. Dies erfolgt durch starke Verringerung oder komplette Unterbrechung des Fördergasstromes. Auch bei großen Druckdifferenzen zwischen dem Wirbelschichtbehälter 1 und dem Kopf 11 des Steigrohres 9 fließt der Feststoff nicht mehr weiter, sobald der Fördergasstrom kleiner wird als es der Minimalfluidisierungsgeschwindigkeit im Steigrohr 9 entspricht. Im Steigrohr 9 und im Fallrohr 6 stellt sich dann ein durchströmtes Festbett ein. Diese Durchströmung garantiert die Trennung der Gasatmosphären zwischen dem Wirbelschichtbehälter 2 und dem Kopf 11 des Steigrohres 9, die je nach Anwendung erforderlich sein kann. Wird der Förder gasstrom ganz unterbrochen, verbleibt der Feststoff im Steigrohr 9 als Festbett und verhindert den Druckausgleich zwischen dem Wirbelschichtbehälter 1 und dem Kopf 11 des Steigrohrs 9.
Der Feststoffmassenstrom in dem Steigrohr 9, dessen Fördergasvolumenstrom als Stellgröße zur Regelung des Feststoffinventars des Wirbelschichtreaktors 1 angeschlossen ist, steht in einer definierten Beziehung zu dem Fördergasvolumenstrom selbst. Wenn man vor dem Regelventil 16 eine Durchflussmessung für das Fördergas verwendet, kann deshalb von dem gemessenen Fördergasvolumenstrom auf den Feststoffmassenstrom geschlossen werden. Die Feststoffverweilzeit eines Feststoffbehälters, beispielsweise auch eines Wirbelschichtreaktors ergibt sich aus dem Verhältnis von Feststoffinhalt zu Feststoffdurchsatz. Weil der Feststoffmassenstrom des Steigrohrs 9 – abgesehen von Regelschwankungen – identisch ist zum Feststoffdurchsatz des Wirbelschichtreaktors, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar die Feststoffverweilzeit bestimmt und geregelt werden. Wenn z. B. der üblicherweise konstante Feststoffeintrag in den Wirbelschichtreaktor zu einem bestimmten Zeitpunkt verdoppelt wird, muss auch das Inventar in dem Wirbelschichtreaktor verdoppelt werden, wenn die Feststoffverweilzeit konstant gehalten werden soll. Selbst wenn der Feststoffeintrag in den Wirbelschichtreaktor nicht gemessen wird, kann man aus dem Anstieg des Feststoffmassenstroms im Steigrohr 9 schließen, dass der Durchsatz des Systems verdoppelt wurde. Zum Konstanthalten der Feststoffverweilzeit wird dann der Sollwert des Regelkreises für das Reaktorinventar verdoppelt. Es stellt sich dann nach einer Übergangsperiode die doppelte Druckdifferenz des Wirbelschichtreaktors ein. Statt des Feststoffinventars in der Wirbelschicht kann also auf diese Weise sogar die Verweilzeit der Feststoffe in der Wirbelschicht geregelt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Fallrohre 6₁ und 6₂ an den Wirbelschichtbehälter 1 angeschlossen sind. Die Funkti on ist hierbei genauso wie bei der Vorrichtung gemäß 1, so dass auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere Fallrohre 6, bis 6_n vorzusehen. Bei der Ausführungsform gemäß 2 wird die Fördergaszufuhr über die Düsen 14₁ , 14₂ für jedes Fallrohr 6₁ , 6₂ durch entsprechende Betätigung der Regelventile 16₁ , 16₂ individuell variiert. Dadurch kann der Feststoffstrom durch die Steigrohre 9₁ , 9₂ ebenfalls individuell variiert werden. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass die Höhe der Wirbelschicht 2 nicht unter den Eintritt der Fallrohre 6₁ , 6₂ absinkt. Selbstverständlich ist es auch möglich weitere, Fallrohre 6₃ bis 6_n mit zugeordneten Steigrohren 9₃ bis 9_n vorzusehen, für die dann entsprechendes gilt. Diese individuell einstellbaren Feststoffströme durch n unabhängige Fallrohre und zugehörige Steigrohre können dann genutzt werden um n Größen zu regeln, beispielsweise n Temperaturen in den n Behältern, die an die Steigrohrköpfe 11₁ bis 11_n angeschlossen sind, wenn in diese Behälter noch je ein weiterer Feststoffstrom unterschiedlicher Temperatur eingeleitet wird. Ebenso ist es möglich, das Niveau der Wirbelschicht im Wirbelschichtbehälter 1 durch Variation der Feststoffstroms durch das Steigrohr 9₁ zu regeln, während n – 1 Temperaturen in den Behältern hinter den Steigrohrköpfen 11₂ bis 11_n durch Variation der Feststoffströme in den Steigrohren 9₂ bis 9_n geregelt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Regelung von n Feststoffniveaus in den Behältern hinter den Steigrohrköpfen 11₂ bis 11_n , wenn das Niveau in der Wirbelschicht durch Variation des Feststoffstroms durch den Feststoffeintritt 3 geregelt wird. Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass in diesen Behältern, die ja alle unterschiedliche Drücke und Gasatmosphären haben, sowie auf unterschiedlichen Höhen liegen können, immer genügend Feststoff für die Versorgung nachgeschalteter Apparate oder Anlagenteile vorhanden ist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Hydratbypass bei der Herstellung von Aluminiumoxid eingesetzt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid aus Aluminiumhydroxid ist bspw. in der DE 195 42 309 A1 beschrieben. Hierbei wird ein Teilstrom des mäßig warmen Aluminiumhydroxids (Al(OH)₃) vor dem Kalzinierungsofen abgezweigt und später dem im Kalzinierungsofen erzeugten heißen Aluminiumoxid (Al₂O₃) wieder zugemischt. Das abgezweigte Aluminiumhydroxid wird bei der dargestellten Ausführungsform bei einer Temperatur von etwa 160°C und etwa Umgebungsdruck über eine Fluidisierrinne 20 gefördert. Aus der Fluidisierrinne 20 fließt ein Teil des Aluminiumhydroxids über ein Fallrohr 21 ab, während der andere Teil in der Fluidisierrinne 20 weitergefördert wird und über diverse nicht dargestellte Prozessstufen dem Kalzinierungsofen zugeführt wird. Am Boden 22 des Fallrohres 21 zweigt, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, ein Steigrohr 23 ab, das sich im Wesentlichen vertikal nach oben erstreckt. Der Feststoff am Boden des Fallrohres 21 wird mit Hilfe wenigstens einer Düse 24, bei welcher es sich wiederum grundsätzlich um jede beliebige Düse, fluidisiert. Dargestellt ist eine nach oben gerichtete Düse 24, es ist aber auch möglich die Düse abwärts zu richten, um Verstopfungen zuverlässiger verhindern zu können. Der Feststoff steigt durch das Steigrohr 23 in einen Entspannungsbehälter 25 und wird von diesem über eine Förderleitung 26 einem Mischbehälter 27 zugeführt. Anstelle des Entspannungsbehälters 25 kann auch ein einfacher Krümmer am Ende des Steigrohres 23 vorgesehen sein.
In dem Mischbehälter 27 wird das Aluminiumhydroxid mit Aluminiumoxid aus dem Kalzinierungsofen vermischt, das über eine Leitung 28 zugeführt wird. Das Aluminiumoxid hat eine Temperatur von etwa 970°C, so dass sich bei dem vorgesehenen Mischungsverhältnis in dem fluidisierten Mischbehälter 27 eine Mischtemperatur von etwa 850°C einstellt. Der Druck im Mischbehälter 27 liegt bei etwa 1,14 bar (abs), d. h. es herrscht ein leichter Überdruck gegenüber der Umgebung. Der Mischbehälter 27 kann bei dieser Ausführungsform oberhalb oder unterhalb der Fluidisierrinne 20 angeordnet sein.
Die Temperatur im Mischbehälter 27 hängt von dem Mischungsverhältnis zwischen dem über das Steigrohr 23 zugeführte Aluminiumhydroxid und dem über die Leitung 28 zugeführten Aluminiumoxid sowie den Temperaturen dieser Feststoffströme ab. Die Feststoffmassenströme im Steigrohr 23 und der Leitung 28 lassen sich jedoch nur schwer messen. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, mit Hilfe einer Temperaturmesseinrichtung 29 die leicht messbare Temperatur im Mischbehälter 27 zu erfassen und als Regelgröße zur Steuerung eines Regelventils 30 in der Zufuhrleitung 31 zur Düse 24 zu verwenden, über welches die Zufuhr des Fördergases am Boden 22 des Fallrohres 21 eingestellt wird. Auf diese Weise lässt sich sehr einfach das Mischungsverhältnis und damit die Temperatur in dem Mischbehälter 27 beeinflussen, indem bei einer den Sollwert übersteigenden Ist-Temperatur im Mischbehälter 27 die Fördergaszufuhr über die Düse 24 erhöht und damit mehr kälteres Aluminiumhydroxid in den Mischbehälter eingeführt wird. Dadurch sinkt die Temperatur im Mischbehälter wieder ab. Bei einem Absinken der Temperatur im Mischbehälter 27 unter den Sollwert wird die Zufuhr des Aluminiumhydroxids durch entsprechende Schließung des Regelventils 30 reduziert.
Mit der Erfindung wird somit eine einfache Regelung des Niveaus und/oder der Feststoffinventars in der Wirbelschicht in einem Wirbelschichtbehälter bzw. der Temperatur und des Mischungsverhältnisses in einem Mischbehälter erreicht. Gleichzeitig wird ein Druckabschluss zwischen der im Wirbelschichtbehälter enthaltenen Wirbelschicht und dem Kopf des Steigrohres gewährleistet, was bei vielen Anwendungen von Bedeutung ist. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Feststoffförderung durch das Steigrohr bis auf Null zu verringern.
Beispiele
Eisenerz-Austrag
Beim Austrag aus einem Wirbelschichtkühler für Eisenerz wird ein System gemäß 1 benutzt. Der Eintrag in das Fallrohr 6 ist ca. 0,5 m unterhalb des gewünschten Wirbelschichtniveaus angeordnet. Der Eintrag in den Kühler ist vorgegeben und soll kontinuierlich über die Fallrohr-/Steigrohranordnung ("Lifting Sealpot" oder LSP) wieder ausgetragen werden, um das Niveau im Kühler konstant zu halten. Das Fallrohr 6 hat einen Durchmesser D_D = 0,2 m und eine Fallrohrhöhe H_D = 2 m. Das Steigrohr 9 mit einem Durchmesser von DR = 0,1 m hat eine Länge von H_R = 4 m. Somit liegt der Steigrohrkopf ca 1.5 m oberhalb des gewünschten Niveaus im Wirbelschichtbehälter. Der Überdruck über der Wirbelschicht liegt bei ca. 30 mbar, während am Steigrohrkopf Umgebungsdruck herrscht.
Das Niveau der Wirbelschicht wird über eine Druckdifferenz wie bei 1 gemessen und über einen Regelkreis und das Regelventil 16 für den Förderluftstrom geregelt. Die Förderluft wird über ein Gebläse bereitgestellt und über eine aufwärtsgerichtete Düse 14 unterhalb des Steigrohrbodens 10 zugeführt. Bei einem Feststoffstrom von 6,2 t/h beträgt der Fördergasstrom ca. 40 Nm³/h. Da die Anlage aber auch bei Teil- oder Überlast betrieben werden kann, wird dann der Fördergasstrom entsprechend verringert oder erhöht, um das Niveau in der Wirbelschicht konstant zu halten.
Wenn zum Beispiel vor dem Abstellen der Anlage möglichst viel Eisenerz aus dem Kühler gefördert werden soll, kann der Sollwert des Regelkreises auch auf ein geringeres als das gewöhnliche Niveau verändert werden mit der Folge, dass über den LSP weiteres Eisenerz aus dem Kühler herausgefördert wird, bis der neue Niveau-Sollwert erreicht ist.
Umgekehrt kann bei einer Störung des Abtransports hinter dem Steigrohrkopf der Niveausollwert im Kühler für eine gewisse Zeit erhöht werden. Der LSP würde dann weniger oder gar kein Erz aus dem Kühler austragen mit der Folge, dass das Niveau im Kühler ansteigt und Erz dort gezielt eingespeichert wird.
Hydrat-By-Pass
Hier wird die Erfindung genutzt, um einen Teil des Hydratstromes am Ofen einer Kalzinieranlage vorbeizuführen, wie im Prinzip in der DE 195 42 309 A1 beschrieben (vgl. 3). Hierzu wird ein Teilstrom des vorgewärmten und vorgetrockneten Hydrats in der Weise abgezogen, dass das Fallrohr 21 der Erfindung immer vollständig gefüllt ist. Der Feststoff wird dann über das Steigrohr 23 in den Mischbehälter 27 (Mixpot) gefördert, wo er dann weiterverarbeitet wird.
Das Fallrohr 21 hat einen Durchmesser D_D = 0,2 m und eine Fallrohrhöhe H_D = 8 m. Das Steigrohr mit einem Durchmesser von DR = 0,1 m ist am Fuß bündig mit dem Fallrohr 21 verbunden. Das Steigrohr 23 hat eine Länge H_R = 10 m. Somit liegt der Steigrohrkopf ca. 2 m oberhalb des Niveaus in der Fluidisierrinne. Der Druck in der Fluidisierrinne liegt ca. bei Umgebungsdruck, während der Druck am Steigrohrkopf dem im Mischbehälter mit 0,14 bar Überdruck entspricht.
Der Feststoffstrom wird hier zwischen 0 und 10 t/h variiert, so dass die Temperatur im Mischbehälter, wo der geförderte Feststoff mit heißem Feststoff aus dem Ofen gemischt wird, auf einem konstanten Sollwert gehalten wird. Die Regelgröße ist in diesem Fall also die Temperatur im Mischbehälter. Diese Temperatur wird bestimmt durch das Massenstromverhältnis von Hydrat, das durch den Hydratbypass in den Mischbehälter gelangt und Alumina, das aus dem Ofen in den Mischbehälter gelangt. Der Regelkreis steuert das Regelventil 30 für die Förderluft des LSP an, weil weder der Alumina-Massenstrom aus dem Ofen noch der Hydratmassenstrom durch den Hydratbypass leicht zu messen ist. Dagegen ist die Temperaturmessung im Mischbehälter sehr einfach. Für eine Mischbehältertemperatur von 850°C wird ein Hydratmassenstrom durch den Bypass von ca. 8 t/h benötigt, wenn die Gesamtproduktion von Alumina 78 t/h beträgt. Dafür werden im LSP ca. 120 Nm³/h Förderluft benötigt.

1: Wirbelschichtbehälter
2: Wirbelschicht
3: Zufuhrleitung Feststoff
4: Zufuhrleitung Fluidisierungsgas Wirbelschicht
5: Gasverteiler
6: Fallrohr
7: Kopf des Fallrohres
8: Boden des Fallrohres
9: Steigrohr
10: Boden des Steigrohres
11: Kopf des Steigrohres
12: Austragstopf
13: Schurre
14: Düse
15: Leitung
16: Regelventil
17: Druckdifferenzmesseinrichtung
20: Fluidisierrinne
21: Fallrohr
22: Boden
23: Steigrohr
24: Düse
25: Entspannungsbehälter
26: Förderleitung
27: Mischbehälter
28: Leitung
29: Temperaturmesseinrichtung
30: Regelventil
31: Zufuhrleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0488433 B1 [0003]
- DE 19629289 A1 [0006]
- US 6666629 [0009]
- WO 01/28900 A1 [0010]
- US 2005/0058516 A1 [0011]
- DE 19542309 A1 [0012, 0069, 0077]

Claims

Verfahren zur Regelung des Niveaus und/oder des Inventars in einem Feststoffbehälter, insbesondere einem Wirbelschichtbehälter, aus welchem über ein Fallrohr ein Feststoffstrom abgezogen wird, wobei der aus dem Feststoffbehälter abgezogene Feststoffstrom am Boden des Fallrohrs durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert und über ein von dem Fallrohr abzweigendes Steigrohr auf ein höheres Niveau transportiert wird, wobei die Größe des durch das Steigrohr geförderten Feststoffstroms durch die variable Zufuhr des Fördergases variiert wird, wobei das Niveau des Feststoffes oder das Feststoffinventar in dem Feststoffbehälter als Regelgröße und der Volumenstrom des Fördergases als Stellgröße eines Regelkreises verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau des Feststoffes in dem Behälter mittels einer Druckdifferenzmessung über den Feststoffbehälter ermittelt wird.
Verfahren zur Regelung der Temperatur und/oder des Mischungsverhältnisses in einem Mischbehälter, wobei ein erster Feststoffstrom über ein Fallrohr aus einem Behälter abgezogen wird, wobei der aus dem Behälter abgezogene Feststoffstrom am Boden des Fallrohrs durch Zufuhr eines Fördergases fluidisiert und über ein von dem Fallrohr abzweigendes Steigrohr in den Mischbehälter transportiert wird, in welchem er mit einem zweiten Feststoffstrom anderer Temperatur gemischt wird, wobei die Größe des durch das Steigrohr geförderten Feststoffstroms durch die Zufuhr des Fördergases geregelt wird, wobei die Temperatur in dem Mischbehälter gemessen wird und wobei die gemessene Temperatur als Regelgröße für die Zufuhr des Fördergases verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Boden und dem Kopf des Fallrohrs kleiner gehalten wird als der einem fluidisierten Fallrohr entsprechende Druckverlust.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck am Boden des Fallrohrs größer gehalten wird als der Druck am Kopf des Fallrohrs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt des Fallrohrs und dem Kopf des Steigrohrs im Bereich von –10 bar bis +50 bar, vorzugsweise von –1 bar bis +1 bar liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck am Kopf des Steigrohrs 0 bis 50 bar (abs) beträgt und vorzugsweise etwa bei Umgebungsdruck liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördergeschwindigkeit im Steigrohr bei dem maximalen vorgesehenen Feststoffmassenstrom kleiner als 5 m/s ist und vorzugsweise etwa 1 bis 2 m/s beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichthöhe der Wirbelschicht in dem Wirbelschichtbehälter konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichthöhe der Wirbelschicht in dem Wirbelschichtbehälter entsprechend einer vorgegebenen Funktion variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fördergas ein drittes Gas, vorzugsweise ein inertes Gas und insbesondere Stickstoff, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterbrechung des Feststoffdurchsatzes das Fördergas mit einem so geringen Volumenstrom eingebracht wird, dass die Durchströmung des Festbetts im Steigrohr unterhalb der Minimalfluidisiergeschwindigkeit im Steigrohr liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des zu fördernden Feststoffs nicht größer als 10 mm, vorzugsweise nicht größer als 3 mm und insbesondere nicht größer als 0.3 mm ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Wirbelschichtbehälter parallel mehrere Feststoffströme über separate Fallrohre abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördergaszufuhr in jedes Fallrohr individuell geregelt wird.
Vorrichtung zur Regelung des Niveaus und/oder des Feststoffinventars in einem Feststoffbehälter, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Fallrohr (6), über welches ein Feststoffstrom aus dem Feststoffbehälter (1) abgezogen wird, einem Steigrohr (9), das nahe dem Boden (8) des Fallrohrs (6) nach oben von diesem abzweigt, und einer Fördergaszufuhr unterhalb des Steigrohrs (9), wobei der aus dem Feststoffbehälter (1) abgezogene Feststoffstrom durch das Fördergas fluidisiert und über das Steigrohr (9) auf ein höheres Niveau transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Niveau des Feststoffs in dem Behälter (1) über eine Messeinrichtung erfasst wird, dass die Zufuhr des Fördergasstromes über ein Regelventil (16) erfolgt, und dass die Öffnungsstellung des Regelventils (16) über einen Regelkreis auf der Basis des Messergebnisses der Messeinrichtung variierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Druckdifferenzmesseinrichtung (17) zur Erfassung der Druckdifferenz über dem Behälter (1) ist.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur und/oder des Mischungsverhältnisses in einem Mischbehälter (27), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei dem Mischbehälter (27) ein erster Feststoffstrom über ein Fallrohr (21) aus einem Wirbelschichtbehälter (20) und ein zweiter Feststoffstrom anderer Temperatur zugeführt werden, wobei der aus der Wirbelschicht abgezogene erste Feststoffstrom am Boden des Fallrohrs (21) durch Zufuhr eines Fluidisierungsgases fluidisiert und über ein von dem Fallrohr (21) abzweigendes Steigrohr (23) in den Mischbehälter (27) transportiert wird, in welchem er mit dem zweiten Feststoffstrom gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Mischbehälter (27) eine Temperaturmesseinrichtung (29) vorgesehen ist, dass die Zufuhr des Fördergasstromes über ein Regelventil (30) erfolgt, und dass die Öffnungsstellung des Regelventils (30) über einen Regelkreis auf der Basis der mit der Temperaturmesseinrichtung (29) gemessenen Temperatur regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Fördergasstroms über wenigstens eine Düse (14, 24) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (14, 24) abwärts geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Fördergasstroms über ein Fluidisiertuch erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (6, 21) um nicht mehr als 45° zur Vertikalen geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (9, 23) etwa vertikal angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H_R) des Steigrohrs (9, 23) größer ist als die Höhe (HD) des Fallrohrs (6, 21).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_D) des Fallrohrs (6, 21) größer als oder gleich dem Durchmesser (D_R) des Steigrohrs (9, 23), vorzugsweise etwa doppelt so groß wie der Durchmesser (D_R) des Steigrohrs (9, 23) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigrohr (9, 23) in einen Austragstopf (12) oder dgl. mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Fallrohr (6, 21) und/oder im Steigrohr (9, 23) Wärmetauscher vorgesehen sind oder dass das Fallrohr und/oder das Steigrohr selbst als Wärmetauscher ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Feststoffbehälter (1) zwei oder mehr Fallrohre (6) abzweigen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Fallrohre (6) an unterschiedlichen Niveaus an den Feststoffbehälter angeschlossen sind.