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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung
von Feststoffen, insbesondere zur Reduktion von eisenoxidhaltigen
Feststoffen, in einem Wirbelschichtreaktor, in welchen zur Fluidisierung
der Feststoffe Fluidisierungsgas durch einen Verteilerboden oder
dgl. eingebracht wird, wobei die Feststoffe zwischen einem mit einer
Feststoffeintragsleitung versehenen Ende und einem mit einer Feststoffaustragsleitung
versehenen Ende des Wirbelschichtreaktors mehrere durch Wehre oder dgl.
voneinander zumindest bereichsweise getrennte Kammern mit jeweils
einem Verteilerboden durchlaufen, sowie eine entsprechende Anlage.
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Ein
derartiges Verfahren und eine Anlage sind beispielsweise aus der
DE 44 10 093 C1 bekannt,
um eisenoxidhaltige Feststoffe, wie Eisenerze, Eisenerzkonzentrate
oder dgl., zu reduzieren. Hierzu wird eisenoxidhaltiges Erz in einen
ersten Wirbelschichtreaktor eingebracht und mit erwärmtem Reduktionsgas
fluidisiert. Aus diesem ersten Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender
Wirbelschicht wird der Feststoff einer zweiten Reduktionsstufe in
einem sogenannten klassischen Wirbelschichtreaktor zugeführt. Um
die mittlere Verweilzeit in diesem zweiten Wirbelschichtreaktor
für die
Feststoffe nahezu gleich zu halten, sind in dem zweiten Wirbelschichtreaktor durch
Wehre mehrere Sektionen oder Kammern ausgebildet. Diese Aufteilung
des Wirbelschichtreaktors in mehrere Sektionen oder Kammern macht
jedoch ein Gefälle
zwischen dem Eintragsende und dem Austragsende des Reaktors erforderlich,
welches üblicherweise
durch Verringerung der Wehrhöhen
zum Austragsende hin erreicht wird. Dies hat jedoch den Nachteil,
dass die Betthöhe
in der ersten Kammer etwa das 1,5-fache der letzten Kammer beträgt, so dass
zur Fluidisierung der Feststoffe in jeder Kammer ein unterschiedlich
hoher Druck benötigt
wird. Da die dem Reaktor zur Flui disierung zugeführte Gasmenge in einem einzigen
Verdichter durchgesetzt wird, muss der Verdichtungsdruck nach der
größten, d.h.
nach der ersten Kammer ausgelegt werden. Die zur Verdichtung des
Fluidisierungsgases erforderliche Energie ist folglich vergleichsweise
hoch und es entstehen zusätzliche
Investitionskosten für
die Drosselung der Zufuhr von Fluidisierungsgas zu den übrigen Kammern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Anlage zur Wärmebehandlung
von insbesondere eisenoxidhaltigen Feststoffen bereitzustellen,
die eine möglichst
gleichmäßige Verweilzeit
der Feststoffe in dem Reaktor ermöglichen, ohne dabei den Energie-
und Regelungsaufwand zu vergrößern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Druck des durch
die in vertikaler Richtung zueinander versetzten Verteilerböden in die
einzelnen Kammern eingebrachten Fluidisierungsgases im Wesentlichen
gleich ist, wobei die Förderung
der Feststoffe von der Feststoffeintragsleitung zu der Feststoffaustragsleitung
auch durch eine Neigung des Wirbelschichtreaktors gegenüber der
Horizontalen erfolgt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich durch die Aufteilung des Wirbelschichtreaktors in mehrere
durch Wehre voneinander getrennte Kammern besonders gleichmäßige Verweilzeiten
der Feststoffe in dem Reaktor erzielen. Durch die Neigung des Reaktors
selbst gegenüber
der Horizontalen werden die in dem Wirbelschichtreaktor fluidisierten
Feststoffe kontinuierlich von der Eintragsöffnung des Reaktors zu dessen
Austragsöffnung
gefördert. Dabei
ist es nicht erforderlich, die Höhe
der Kammern durch eine Abstufung der Höhe der Oberkanten der Wehre über den
Verteilerböden
zu variieren, so dass für
alle Kammern der gleiche Druck des Fluidisierungsgases eingesetzt
werden kann.
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Folglich
entfallen aufwendige Regelungsorgane zur Einstellung von verschiedenen
Drücken
in den einzelnen Kammern. Durch das Versetzen der Verteilerböden der
einzelnen Kammern in vertikaler Richtung zueinander kann dennoch
ein Gefälle
zwischen den im Wesentlichen gleich hohen Kammern zum Transport
der Feststoffe von dem Eintragsende zu dem Austragsende des Reaktors
erzeugt werden.
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Die
Erzeugung der für
den Reaktorbetrieb notwendigen Wärmemenge
kann auf jede dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Weise erfolgen. Üblicherweise
erfolgt die Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von etwa 450 bis 950°C. Gemäß einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dem Wirbelschichtreaktor
vorgewärmtes
Reduktionsgas zur Fluidisierung zuzuführen, das den ggf. ebenfalls
vorgewärmten Feststoff
reduziert. Die Reaktortemperatur liegt dabei beispielsweise unterhalb
der Temperatur, der in den Reaktor eintretenden Stoffströme. Als
Reduktionsgas eignet sich insbesondere Gas mit einem Wasserstoffgehalt
von wenigstens 80%, vorzugsweise mit über 90%.
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Der
Verbrauch an frischen Reduktionsgas kann erheblich gesenkt werden,
wenn das Reduktionsgas in einer dem Reaktor nachgeschalteten Wiederaufbereitungsstufe
gereinigt und anschließend dem
Reaktor wieder zugeleitet wird. Bei der Wiederaufbereitung wird
das Gas zunächst
von Feststoffen getrennt, ggf. durch einen Wäscher geleitet und unter den
Taupunkt des Wasserdampfes abgekühlt,
so dass der Wasserdampfgehalt verringert werden kann, dann verdichtet
und mit frischem Wasserstoff angereichert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
alle Arten von insbesondere feinkörnigen, eisenoxidhaltigen Erzen,
insbesondere Eisenerze oder Eisenerzkonzentrate, effektiv wärmebehandelt
werden.
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Um
einen besonders effektiven Wärmeaustausch
und eine ausreichende Verweilzeit der Feststoffe in dem Wirbelschichtreaktor
sicherzustellen, wird der Druck und damit die Gasgeschwindigkeit des über die
Verteilerböden
dem Wirbelschichtreaktor zugeführten
Fluidisierungsgases vorzugsweise derart eingestellt, dass die dimensionslose
Partikel-Froude-Zahlen (Frp) in dem Wirbelschichtreaktor etwa 0,02
bis 2, vorzugsweise 0,05 bis 0,5, insbesondere etwa 0,15, beträgt.
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Dabei
sind die Partikel-Froude-Zahlen jeweils nach der folgenden Gleichung
definiert:
mit
u = effektive Geschwindigkeit
der Gasströmung
in m/s
ρ
s = Dichte eines Feststoffpartikels in kg/m
3 ρ
r = effektive Dichte des Fluidisierungsgases
in kg/m
3 d
p =
mittlerer Durchmesser der beim Reaktorbetrieb vorliegenden Partikel
des Reaktorinventars (bzw. der sich bildenden Teilchen) in m
g
= Gravitationskonstante in m/s
2.
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Bei
der Anwendung dieser Gleichung gilt zu berücksichtigen, dass dp nicht den mittleren Durchmesser (d50) des eingesetzten Materials bezeichnet, sondern
den mittleren Durchmesser des sich während des Betriebs des Reaktors
bildenden Reaktorinventars, welcher von dem mittleren Durchmesser
des eingesetzten Materials (Primärteilchen)
signifikant abweichen kann. Auch aus sehr feinkörnigem Material mit einem mittleren
Durchmesser von beispielsweise 3 bis 10 μm können sich beispielsweise während der
Wärmebehandlung
Teilchen (Se kundärteilchen)
mit einem mittleren Durchmesser von 20 bis 30 μm bilden. Andererseits zerfallen
manche Materialien, beispielsweise Erze, während der Wärmebehandlung.
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Eine
erfindungsgemäße Anlage,
welche insbesondere zur Durchführung
des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, weist einen gegenüber der
Horizontalen um etwa 0,5 bis 5°,
vorzugsweise um 1 bis 2°,
insbesondere um etwa 1,3°,
geneigt angeordneten Wirbelschichtreaktor mit einer Feststoffeintragsleitung
und einer Feststoffaustragsleitung auf, zwischen denen in horizontaler
Richtung nebeneinander mehrere durch Wehre oder dgl. voneinander zumindest
bereichsweise getrennte Kammern mit jeweils einem Verteilerboden
oder dgl. angeordnet sind, durch welche zur Fluidisierung der Feststoffe Fluidisierungsgas
eingebracht wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind die Wehre und die Verteilerböden der
einzelnen Kammern von der Feststoffeintragsleitung in Richtung auf
die Feststoffaustragsleitung in vertikaler Richtung zueinander nach unten
versetzt angeordnet. Unabhängig
von der Neigung des Reaktors selbst entsteht auf diese Weise ein
Gefälle,
durch welches die Feststoffe von dem Eintragsende zu dem Austragsende
des Wirbelschichtreaktors gefördert
werden. Die Verteilerböden oder
dgl. sind dabei vorzugsweise treppenartig mit gleicher Stufenhöhe zueinander
versetzt angeordnet.
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In
Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, die
Höhe der
Oberkanten der Wehre über
den Verteilerböden
in jeder Kammer im Wesentlichen gleich auszubilden. Zur Fluidisierung der
Feststoffe in den einzelnen Kammern ist es daher möglich, den
Druck des Fluidisierungsgases in sämtlichen Kammern im Wesentlichen
gleich zu halten.
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Ein
für den
Transport der Feststoffe in dem Wirbelschichtreaktor von der Feststoffeintragsleitung zu
der Feststoffaustragsleitung geeignetes Gefälle entsteht beispielsweise
dann, wenn der vertikale Abstand des der Feststoffeintragsleitung
nächstgelegenen
Verteilerbodens zu dem der Feststoffaustragsleitung nächstgelegenen
Verteilerbodens etwa der Hälfte
der Höhe
der Oberkanten der Wehre über
den Verteilerböden
entspricht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind vertikal unterhalb der Kammern durch die Wehre und
die Verteilerböden
begrenzte Windboxen ausgebildet, in die jeweils zumindest eine mit
einem gemeinsamen Verdichter verbundene Gaszufuhrleitung mündet. Durch
die Neigung des Wirbelschichtreaktors bleibt die Höhe der Windboxen im
Wesentlichen gleich, obwohl die Verteilerböden treppenartig zueinander
versetzt sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung
näher beschrieben.
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.
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Es
zeigen:
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1 ein Prozessdiagramm eines
Verfahrens und einer Anlage gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung,
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2 einen Wirbelschichtreaktor
gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung,
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3 einen Schnitt durch den
Wirbelschichtreaktor nach 2 entlang
der Linien III-III und
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4 in Vergrößerung das Detail IV in 2.
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Bei
dem in 1 dargestellten
Verfahren, welches insbesondere zur Wärmebehandlung eisenoxidhaltiger
Feststoffe geeignet ist, wird in einen ersten Reaktor 1 über eine
Zufuhrleitung 2 ein Feststoff eingebracht. Der beispielsweise
zylindrische Reaktor 1 weist eine Zufuhrleitung 3 für Fluidisierungsgas
an seinem unteren Ende auf. Der in dem Reaktor 1 vorbehandelte
Feststoff wird über
eine Feststoffzufuhrleitung 4 einem zweiten Wirbelschichtreaktor 5 zugeleitet.
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Der
beispielsweise als ein liegendes Zylinderrrohr ausgebildete Wirbelschichtreaktor 5 ist
gegenüber
der Horizontalen leicht geneigt, so dass das Ende des Wirbelschichtreaktors 5,
in welches die Zufuhrleitung 4 für Feststoffe mündet, gegenüber dem gegenüberliegenden
Ende leicht erhöht
ist. In dem Wirbelschichtreaktor 5 sind mehrere Wehre 6.1 bis 6.3 angeordnet,
die zusammen mit Verteilerböden 7 Wirbelschichtkammern 8.1 bis 8.4 und
unterhalb der Verteilerböden 7 gelegene
Windboxen 9 bilden. Sowohl die Höhe der Oberkanten der Wehre 6 als
auch die Höhe
der Verteilerböden 7 nimmt
in vertikaler Richtung von dem Ende der Zufuhrleitung 4 zu
dem gegenüberliegenden
Ende des Wirbelschichtreaktors 5 stufenweise ab. In die
unterhalb der Kammern 8 gelegenen Windboxen 9 münden jeweils
Zufuhrleitungen für
Fluidisierungsgas.
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Zur
Reduktion von beispielsweise eisenoxidhaltigen Feststoffen werden
zunächst
Eisenerze über einen
Förderer 11 einem
Venturitrockner 12 zugeleitet, in welchem die Feststoffe
getrocknet werden. In einem dem Venturitrockner 12 nachgeschalteten
Zyklon 13 werden die getrockneten Feststoffe von dem Abgas
getrennt, welches in einem Wäscher 14 gereinigt
wird. Die in dem Zyklon 13 abgeschiedenen Feststoffe werden
dann zur Vorwärmung
einem Brennraum 15 zugeführt, in den über Leitungen 16 bzw. 17 Luft
und ein Brennstoff eingebracht werden. Nach der Erwärmung werden
die Feststoffe in dem Zyklon 18 von den Abgasen getrennt,
welche zur Vorwärmung
in den Venturitrockner 12 geleitet werden. Die vorgewärmten und
getrockneten Feststoffe werden dann über die Leitung 2 in
den Reaktor 1 eingebracht.
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In
dem Reaktor 1 bildet sich durch die Zufuhr von Fluidisierungsgas
durch die Zufuhrleitung 3 eine zirkulierende Wirbelschicht,
durch welche die fluidisierten Feststoffe zusammen mit dem Fluidisierungsgas
aus dem Reaktor 1 ausgetragen und einem Zyklon 19 zugeleitet
werden. In diesem werden die Feststoffe von dem Abgas getrennt,
welches über Leitung 20 einem
Wärmetauscher 21 und
einer Wiederaufbereitungsstufe 22 zugeleitet wird. Die
von dem Abgas abgeschiedenen Feststoffe werden aus dem Zyklon 19 in
den Reaktor 1 über
Leitung 23 rückgeführt. Weiter
wird dem Reaktor 1 über
Leitung 24 Abgas aus dem zweiten Reaktor 5 zugeleitet.
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Die über die
Zufuhrleitung 4 aus dem ersten Reaktor 1 entnommenen
Feststoffe werden in dem zweiten Wirbelschichtreaktor 5 zunächst der
in der Figur linken, in Strömungsrichtung
ersten Kammer 8.1 zugeleitet, in welcher die Feststoffe
durch das durch den Verteilerboden 7 strömende Fluidisierungsgas
fluidisiert werden. Infolge der Neigung des Wirbelschichtreaktors 5 sowie
durch die Fluidisierung wird ein Teil der Feststoffe über das
erste Wehr 6.1 in die zweite Kammer 8.2 gefördert, in
welcher die Feststoffe ebenfalls fluidisiert werden. Auf diese Weise stellt
sich eine Feststoffströmung
von der ersten Kammer 8.1 zu der gegenüberliegenden in der Figur rechten
Kammer 8.4 ein, aus welcher die Feststoffe über Leitung 25 aus
dem Wirbelschichtreaktor 5 abgezogen werden.
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Nach
einer weiteren Temperierung in einem Erhitzer (Venturivorwärmer) 26 werden
die dem Wirbelschichtreaktor 5 entnommenen Feststoffe in
einem Zyklon 27 von Abgasen getrennt und beispielsweise
einer Heißbrikettieranlage 28 zur
weiteren Verarbeitung zugeleitet. Die dem Reaktor 5 zugeleiteten Gase
können
dabei in einem Gaserhitzer 29 temperiert werden.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform
eines Wirbelschichtreaktors 30 dargestellt, welcher ein liegendes,
im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 31 aufweist. Dieses
Gehäuse
des Wirbelschichtreaktors 30 ist gegenüber der Horizontalen um etwa
1 bis 2° geneigt,
so dass sein in der Fig. linkes Ende gegenüber dem in der Fig. rechten
Ende erhöht
ist. In dem Gehäuse 31 des
Reaktors 30 sind mehrere, in der Zeichnung zehn Verteilerböden 32 sowie
mehrere Wehre 33.1 bis 33.10 vorgesehen. Die Verteilerböden liegen
dabei in einer horizontalen Ebene oder parallel zu der Längsachse
des Gehäuses 31 des
Reaktors 30. Wie insbesondere aus der vergrößerten Darstellung
von 4 hervorgeht, sind die zueinander
benachbarten Verteilerböden 32a, 32b jeweils
in vertikaler Richtung zueinander versetzt, so dass die Höhe der Verteilerböden 32 in
dem Reaktor 30 stufenweise von der in der Fig. linken Seite
zu der in der Fig. rechten Seite des Reaktors 30 abnimmt.
In gleicher Weise reduziert sich auch die Höhe der Oberkanten der Wehre 33 stufenweise
in der Fig. von links nach rechts.
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Durch
die Wehre 33 werden oberhalb der Verteilerböden 32 nach
oben offene Kammern 34.1 bis 34.11 gebildet, die
im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen.
Die Kammern 34 stehen durch den oberhalb der Wehre 33 gelegenen
offenen Raum miteinander in Verbindung. Unterhalb der Kammern 34 sind
durch die Verteilerböden 32 sowie
die Wehre 33 begrenzt Windboxen 35 gebildet, welche
jeweils mit einer Zufuhrleitung 36 für Fluidisierungsgas verbunden
sind.
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Auf
der in der Fig. linken Seite des Reaktors 30 ist eine Feststoffeintragsleitung 37 vorgesehen, während auf
der gegenüberliegenden
Seite des Reaktors 30 eine Feststoffaustragsleitung 38 direkt oberhalb
eines Verteilerbodens 33 positioniert ist.
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Zur
Reduktion von eisenoxidhaltigen Feststoffen in dem Wirbelschichtreaktor 30 werden
die ggf. vorbehandelten Feststoffe zunächst über die Feststoffeintrags leitung 37 in
den Reaktor 30 eingebracht. Durch das über die Zufuhrleitung 36,
die Windbox 35 und den Verteilerboden 32 in die
Kammer 34.1 strömende
Fluidisierungsgas werden die Feststoffe in der der Feststoffeintragsleitung 37 nächstgelegenen
Kammer 34.1 fluidisiert. Ein Teil des Feststoffes in der
Kammer 34.1 passiert durch die Neigung des Wirbelschichtreaktors 30 kontinuierlich
das Wehr 33.1 und wird von der Kammer 34.1 in die
Kammer 34.2 eingetragen. Dadurch hat der Feststoff in der
Kammer 34.1 eine Verweilzeit, die durch den Druckverlust
in der Kammer einstellbar ist. Auch in der Kammer 34.2 werden
die Feststoffe durch das Fluidisierungsgas fluidisiert und so schrittweise
der Feststoffaustragsleitung 38 zugeführt. Die Verweilzeiten der
Feststoffe in dem Wirbelschichtreaktor 30 können durch
die Wehre 33 konstant gehalten werden, die einen zu raschen
Transport der Feststoffe durch den Reaktor verhindern.
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Die
in die Windboxen 35 mündenden
Zufuhrleitungen 36 für
Fluidisierungsgas werden über
ein gemeinsames Register gespeist, so dass der Druck des Fluidisierungsgases
in sämtlichen
Zufuhrleitungen 36 in Wesentlichen gleich ist. Da durch
die treppenartige Abstufung der Verteilerböden 32 sowie die von
der Feststoffeintragsleitung 37 in Richtung auf die Feststoffaustragsleitung 38 abnehmende
Höhe der
Wehre 33 die Größe der Kammern 34 näherungsweise
gleich ist, wird in jeder Kammer 34 eine gute Fluidisierung
der Feststoffe erreicht.
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Zur
Reduktion von eisenoxidhaltigen Feststoffen in dem Wirbelschichtreaktor 30 wird
als Fluidisierungsgas beispielsweise ein wasserstoffhaltiges Gas
eingesetzt, das auf eine Temperatur von etwa 720° erhitzt ist. Der Druck des
Fluidisierungsgases wird vorzugsweise so gewählt, dass sich die Gasgeschwindigkeit
des Fluidisierungsgases in den Kammern 34 des Wirbelschichtreaktors 30 so
einstellt, dass die Partikel-Froude-Zahl in dem Wirbelschichtreaktor 30 etwa
0,15 beträgt.
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- 1
- (erster)
Wirbelschichtreaktor
- 2
- Zufuhrleitung
- 3
- Zufuhrleitung
- 4
- Feststoffeintragsleitung
- 5
- (zweiter)
Wirbelschichtreaktor
- 6
- Wehr
- 7
- Verteilerboden
- 8
- Kammer
- 9
- Windbox
- 10
- Zufuhrleitung
- 11
- Schneckenförderer
- 12
- Venturitrockner
- 13
- Zyklon
- 14
- Gaswäscher
- 15
- Brennkammer
- 16
- Zufuhrleitung
- 17
- Zufuhrleitung
- 18
- Zyklon
- 19
- Zyklon
- 20
- Leitung
- 21
- Wärmetauscher
- 22
- Gasreinigungsstufe
- 23
- Feststoffleitung
- 24
- Gasleitung
- 25
- Feststoffaustragsleitung
- 26
- Venturivorwärmer
- 27
- Zyklon
- 28
- Brikettieranlage
- 29
- Gaserhitzer
- 30
- Wirbelschichtreaktor
- 31
- Gehäuse
- 32
- Verteilerboden
- 33
- Wehr
- 34
- Kammer
- 35
- Windbox
- 36
- Zufuhrleitung
- 37
- Feststoffeintragsleitung
- 38
- Feststoffaustragsleitung