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Wirbelschichtanlage mit kontinuierlichem Durchfluß der Feststoffe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelschichtanlage zur Wärmebehandlung pulverförmiger
oder kornförmiger fluidisierbarer Feststoffe mit kontinuierlichem Durchfluß der
Feststoffe. Die Wirbelschichtanlage besteht dabei aus mehreren langgestreckten und
im wesentlichen waagerechten Wirbelschichtreaktoren mit waagerechter Gutwanderung
und indirekter Beheizung der Wirbelschicht.
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Die bekannten Wirbelschichtanlagen dieser Art haben den Nachteil,
daß es oft schwierig ist, auf kleinem Raum einen hinreichenden Wärmeübergang zwischen
dem zu erwärmenden Gut und den Heizmitteln zu bewirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Wärmeübergang bei
günstiger Bauweise der Wirbelschichtanlage zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die einzelnen
Reaktoren parallel zueinander und im Abstand voneinander reihenweise angeordnet
sind, wobei im Raum zwischen zwei benachbarten Reaktoren Heizmittel vorgesehen sind,
um Wärme durch die Wände der Reaktoren auf die Wirbelschicht entsprechend der Schichthöhe
in jedem Reaktor zu übertragen.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, daß infolge des guten Wärmeüberganges
eine sehr feinstufige Regulierung der Erwärmung des zu erwärmenden Gutes jeweils
innerhalb kurzer Zeit durch Veränderung der Intensität der Heizmittel möglich ist.
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Verschiedene beispielsweise Ausführungen der erfindungsgemäßen Wirbelschichtanlage
sind nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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Hierbei zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kammer für
mittlere Temperaturen, die die Grundkonstruktion des Kammerelementes zeigt, Fig.
2 einen lotrechten Schnitt durch eine Kammer nach Fig. 1 mit einem rechteckigen
Querschnittsprofil.
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Fig. 3, 4 und 5 senkrechte Schnitte nach Fig. 1 mit verschiedenen
anderen Formen der Querschnittsprofile Fig. 6 einen Teil eines Längsschnittes der
in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung mit Einzelheiten des Beschikkungsendes der Kammer,
Fig. 7 einen senkrechten Teilschnitt einer Kammer für mittlere Temperaturen mit
einer besonderen Konstruktion ihres Beschickungsendes, Fig. 8 einen Längsschnitt
des Beschickungsendes einer derartigen Kammer, Fig. 9 einen senkrechten Teilschnitt
des Auslaßendes einer Kammer nach Fig. 1 mit Einzelheiten der Konstruktion, Fig.
10 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, und eine besondere Ausbildungsform
für das Auslaßende einer derartigen Kammer, Fig. 11 einen Teil einer Seitenansicht
des Auslaßendes einer derartigen Kammer und eine weitere besondere Konstruktionsart,
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht von drei derartigen Kammern, die nebeneinander
angeordnet sind, von denen eine geschnitten ist, um Einzelheiten einer durchlässigen
Wand zu zeigen, Fig. 13 eine perspektivische Ansicht einer der Erfindung entsprechenden
Kammer für hohe Temperaturen, teilweise geschnitten, um die innere Konstruktion
derselben zu zeigen, Fig. 14 einen senkrechten Querschnitt nach Linie A-A in Fig.
13, Fig. 14 a einen teilweisen Schnitt durch eine besondere Anordnung einer Kammer
für hohe Temperaturen nach den Fig. 13 und 14 unter Verwendung eines Hilfsbrenners
innerhalb der Schicht, Fig. 15 einen Horizontalschnitt durch eine Anordnung, bei
der vier Kammern von zwei anderen Kammern gespeist werden unter Benutzung eines
Flußverteilers, Fig. 16 einen senkrechten Schnitt gemäß LinieB-B der Fig. 15, Fig.
17 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer senkrechten Kammer nach der Erfindung,
Fig. 18 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
für eine senkrechte Kammer gemäß der Erfindung, Fig. 19 einen senkrechten Schnitt
durch einen Teil der durchlässigen Wand, wie sie in bevorzugter Form in der Vorrichtung
zur Fließbarmachung zur Anwew dung gelangt,
Fig. 20 eine teilweise
geschnittene perspektivische Ansicht, die den inneren Aufbau einer Behandlungsanlage
zeigt unter Verwendung von waagerechten Kammern für mittlere und senkrechten Iiammern
für höhere Temperaturen, bei der Platz für eine Feuerung mit einer Dampferzeugungsanlage
vorgesehen ist, Fig. 21 eine schematische Darstellung einer Anordnung für die Verteilung
des fließbar gemachten Stoffes für die in Fig. 20 dargestellte Anlage, Fig. 22 eine
Ansicht einer senkrechten Anordnung, aus der die Fluidisiergase abgeführt werden,
Fig. 23 einen waagerechten Schnitt entsprechend Linie C-C der Fig. 20, Fig. 24 einen
waagerechten Schnitt entsprechend Linie D-D der Fig. 20, Fig. 25 einen senkrechten
Schnitt durch eine Anlage für die Behandlung des Gutes bei hoher Temperatur, Fig.
26 einen senkrechten Schnitt durch die Anlage nach Fig. 25 in verkleinertem Maßstab,
wobei die Schnittebene im rechten Winkel zu dem in Fig. 25 steht, Fig. 27 einen
Teillängsschnitt durch einen Brennerabschnitt der Anlage gemäß Fig. 25 und 26.
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Die Ausführung gemäß Fig. 1 zeigt, daß die Kammern, die vorzugsweise
aus feuerfestem Metall mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten konstruiert
sind, die Form von verhältnismäßig tiefen, engen Kanälen haben, die aus den Seitenwänden
30, dem Oberteil 31, dem Boden 32 und Endstücken 33 und 34 bestehen. Das Innere
der Kanäle ist in der Längsrichtung durch eine gasdurchlässige Wand 35 in eine Gaskammer
36 unterhalb und in eine Kammer 37 zur Fließbarmachung des Gutes oberhalb der Wand
unterteilt. Weiterhin sind Gasleitungen 38 und 39 vorgesehen, um einen einstellbaren
Fluß des Gases in die Gaskammer 36 zu leiten, während das Dach 31 des Kanals entsprechende
Auslaßrohre 40 und 41 zum Abführen des Gases für die Fließbarmachung des zu handeln
den Gutes aus dem oberen Teil der Kammer 37 aufweist.
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Das feinkörnige Gut wird der Kammer durch das Beschickungsrohr 42
zugeführt, wobei das Ende 33 der Kammer durch den schrägen Teil 43 gebildet wird,
der sich unter dem Austrittsende des Beschickungsrohres 42 befindet. Das feinkörnige
Gut verläßt die Kammer durch das senkrechte Entleerungsrohr 45, das sich von außen
durch den Boden 32 der Kammer und der Wand 35 aufwärts in die Kammer 37 erstreckt
und in vorbestimmter Höhe 46 endet, die dann die Höhe der fließbar gemachten Schicht
beim Arbeitsvorgang in der Kammer bestimmt.
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Es hat sich als zweckentsprechend erwiesen, die Kammern für niedrige
Temperaturen mit Längsrippen 47 auszustatten, die an der Außenseite der Längswände
in solcher Höhe befestigt sind, die der oberen Grenze der fließbar gemachten Schicht,
die während des Arbeitsvorganges in der Kammer beibehalten wird, entspricht. Die
Längsrippen 47 haben einen doppelten Zweck. Einerseits geben sie den Kammern Festigkeit,
so daß ihre Neigung, sich beim Temperaturwechsel zu beulen, auf ein Mindestmaß herabgesetzt
wird, jedoch ist es der llauptzweck dieser Rippen, als Verankerung für die Kammern
zu dienen, wenn diese als Teile einer Behandlungsanlage so zusammengefügt werden,
daß die heißen Gase nur auf die Teile der Seitenwände einwirken, in denen die Wärme
auf die fließbar gemachte Schicht übertragen werden soll.
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Eine Metallkammer des beschriebenen Typs dehnt sich bei Erwärmung
aus, und die Metaliplatten, aus
denen die Kammer hergestellt ist, haben die Neigung
zum Verbeulen. Diese kann durch Anbringen der Längsrippen 47 verringert werden.
Wenn die Seitenwände senkrecht stehen und ebenflächig sind, kann z. B. Wellblech
verwendet werden. Durch Abändern des Querschnittprofils, durch Runden der Oberseite
und des Bodens oder durch Wahl eines im allgemeinen ovalen Querschnittprofils kann
die Neigung der Wände, sich beim Erwärmen zu beulen, ganz beseitigt werden. Beispiele
für zweckentsprechende Querschnittsformen der oben beschriebenen Art sind in den
Fig. 2, 3, 4 und 5 gezeigt.
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Beim Eintritt des Gutes am Einlaßende der Kammern hat es sich als
notwendig erwiesen, zu verhindern, daß das aufsteigende Gas in den Beschickungsrohren
Luftdrosseln bildet. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das eintretende Gut
auf einen noch nicht flieBbar gemachten Teil der Schicht trifft oder aber indem
man das Beschickungsrohr im Winkel zur Stirnwand oder Seitenwand in die Kammer einführt.
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In der Darstellung nach Fig. 1, wie sie durch Fig. 6 ergänzt wird,
gelangt das Gut durch das Beschikkungsrohr 42 unmittelbar oberhalb des abgeschrägten
Teiles 43 der Stirnwand 33 in die Kammer. Der Winkel des abgeschrägten Teiles 43
ist größer als der Schüttwinkel des zu behandelnden Gutes, so daß das Gut dauernd
in Richtung der Pfeile gemäß Fig. 6 rutscht, bis es einen Punkt erreicht, der senkrecht
über der Wand 35 liegt, so daß die Fließbarkeit einsetzt.
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Ein ähnliches Ergebnis wird durch die Anordnung gemäß Fig. 7 erreicht,
wobei ein nach oben kegelförmig zulaufender Teil 48 unmittelbar unter dem Beschickungsrohr
42 angebracht ist, der die Fließbarmachung des Gutes verhindert, solange es sich
im unmittelbaren Umkreis des Beschickungsrohres 42 befindet. Nach einer anderen
Ausführungsform nach Fig. 8 überfließt das zu behandelnde Gut die Öffnung 42 a am
Ende einer Vorkammer, um durch deren Endwand 33 a in die Fluidisierkammer einzutreten.
Dabei ist eine Stauwand 49 vorgesehen, die das eintretende Gut gleichmäßig über
die Breite der Schicht verteilt. Ein kleineres Loch 50 nahe dem oberen Ende der
Stauwand 49 dient dem Ausgleich des Gasdruckes auf beiden Seiten derselben.
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Verschiedene wahlweise Ausführungsarten können am Auslaßende der
Kammern zur Anwendung gelangen, das Gut kann z. B. durch das Auslaßrohr 45, das
aufrecht in die Fluidisierkammer in einer vorbestimmten Höhe des oberen offenen
Endes hineinragt, iiber- und abfließen. Es ist dabei vorteilhaft, eine kleine Öffnung
51 unmittelbar über der Oberfläche der Wand 35 anzubringen, damit die Vorrichtung
sich vollends entleeren läßt. Diese Form der Konstruktion zeigt Fig. 9.
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Andererseits ist eine besondere Ausführung in Fig. 10 gezeigt, bei
der das Gut durch eine Überströmöffnung 52 am Ende der Kammer ausfließt. In diesem
Falle ist es vorteilhaft, ein kleines Hilfsauslaßrohr 53 anzubringen, das durch
den Boden und die Wand 35 in das Auslaßende der Kammer eingeführt ist und nur wenig
über die Wand hinausragt, um ein völliges Entleeren zu ermöglichen und um die Bildung
toter Ecken in diesem Teil der Vorrichtung zu vermeiden.
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Die Überströmöffnung 52 kann auch in der Endstirnwand 34 oder wahlweise
in einer der Seitenwände in Endwandnähe angebracht sein (Fig. 11).
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Die oben beschriebenen und in Fig. 1 gezeigten Kammern sind so ausgebildet,
daß sie mittels der Rippen 47 in Gruppen zusammengefaßt werden können. Diese Anordnungsart
ist
in Fig. 12 gezeigt durch drei solcher Kammern, die an ihren Seiten untereinander
befestigt sind, wobei die Kammern auf den horizontalen Tragwänden 54 mittels der
Rippen 47 aufliegen, wodurch Einwirkungen der heißen Gase, mit denen die Kammern
beheizt werden, auf die Zwischenräume 55 zwischen den angrenzenden Kammern beschränkt
werden und die Hitze lediglich in einem Ausmaß an die Seitenwände herangebracht
wird, das der Höhe der Schicht des fließenden Gutes in jeder Kammer entspricht.
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Die Kammern sind zur Anordnung in Batterien geeignet, und es gelingt
mit einfachen Mitteln die Heizgase den Kammern zuzuführen, während die Möglichkeit
des Ausbaues und Ersetzens jeder einzelnen Kammer zur Reparatur unter geringstmöglicher
Störung der Gesamtanlage gegeben ist. In Fig. 12 sind die Tragkonstruktionen der
Anlage und die Träger für die äußeren Rippen der beiden äußeren Kammern nicht gezeigt,
es kann aber jeder gebräuchliche, den auftretenden Temperaturen standhaltende Werkstoff
verwendet werden. Die bisher beschriebenen Kammern sind besonders geeignet für die
Behandlung von Gut, das Temperaturen bis etwa 5380 C verlangt, und ihre oben beschriebene
Konstruktion erlaubt ihre Anbringung in verschiedenen Zusammenstellungen für die
Beheizung durch heiße Rauchgase. Sie sind besonders brauchbar für die Behandlung
von Gut innerhalb von Temperaturbereichen, bei denen das behandelte Gut Gase abgibt,
da diese im wesentlichen so, wie sie sich entwickeln, abgezogen werden können und
so in keiner Weise in den Beharrungszustand idealer Fließbedingungen in den Kammern
eingreifen. Dieser Vorteil tritt bei senkrechten Kammern nicht auf, wo gasförmige
Produkte, die sich bei der Behandlung bilden, erst durch die Schicht aufsteigen
müssen, die über ihrem Entstehungspunkt liegt, was eine unangemessene Erhöhung der
Geschwindigkeit der Gase in dem oberen Raum der Kammer und unerwünschte Verluste
an Feststoffteilchen durch Mitschleppen im abgeführten Gas mit sich bringt.
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Die Kammern für hohe Temperaturen sind im Grunde die gleichen wie
diejenigen für niedrige Temperaturen, mit der Ausnahme, daß bei der Konstruktion
die werkstoffgebundenen Grenzen beachtet werden müssen, die durch die Hitzebeständigkeit
des Werkstoffes gegeben sind. Dementsprechend hat es sich bei der Konstruktion der
Kammern für hohe Temperaturen, deren wärmeleitende Wände im allgemeinen aus Siliciumkarbid
oder einem ähnlichen, hochhitzebeständigen Werkstoff von hoher Wärmeleitfähigkeit
bestehen, als geeignet erwiesen, passende Brenner und entsprechende Rauchgasabzüge
in Verbindung mit den Seitenwänden jeder Kammer vorzusehen. Eine Ausführungsform,
die die prinzipiellen Konstruktionsunterschiede zwischen Kammern für hohe Temperaturen
und den bereits beschriebenen Kammern für niedrige Temperaturen aufzeigt, ist in
den Fig. 13 und 14 dargestellt.
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Fig. 13 und 14 zeigen, daß die Kammern selbst aus den Seitenwänden
60, der Decke 61 und dem Boden 62 bestehen, die einen verhältnismäßig tiefen, engen,
länglichen Kanal bilden, der in der Waagerechten durch eine durchlässige Wand 63
in eine Gaskammer 64 und eine Fluidisierkammer 65 aufgeteilt ist. Das Gut wird durch
das Beschickungsrohr 66 in die Fluidisierkammer gegeben und verläßt dieselbe durch
das Auslaßrohr 67, wobei Beschickung und Entnahme in der gleichen Weise erfolgt
wie bei der in Fig. 1 gezeigten Kammer. Die Kammer ist beidseitig von Feuerun-
gen
umgeben, die z. B. aus Brennern 68 bestehen, die durch ein Sammelrohr 69 gespeist
werden, welches wiederum von den Leitungen 70 versorgt wird. Luft für die Verbrennung
wird koaxial durch den ringförmigen Zwischenraum 71 zwischen der Außenwand des Rohres
und der Brennstoffleitung 72 zugeführt.
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Luft und Brennstoff werden vorzugsweise vorgewärmt. Die Brenner 68
ragen in den Raum 73 hinein, der als Verbrennungskammer dient und von den Seitenwänden
74 und 75 sowie von der Decke 61 und dem Boden 62 gebildet ist, wobei die beiden
letzteren eine Verlängerung von Decke und Boden der Kammer bilden. Die wechselweise
unten und oben überströmten Stauwände 76 und 77, 78 und 79 sind in der Verbrennungskammer
so angebracht, daß die heißen Verbrennungsgase einen schlangenlinienförmigen Weg
nehmen, der in Fig. 13 durch Pfeile gezeigt ist, bevor diese durch die Rauchkammer
80 in den H:eißgassammler 81 abgeführt werden. Die Gase im Sammler 81 können für
das Beheizen der Kammern für mittlere Temperaturen von der in Fig. 1 dargestellten
Art benutzt werden. Durch entsprechende Zuführungsrohre 82 wird das Gas zur Fließbarmachung
in die Gaskammer 64 in regelbarer Menge eingeführt, das dann nach Durchdringung
des Gutes von der Oberseite der Kammer durch die Kamine 83 weitergeleitet wird.
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Der Aufbau der in Fig. 13 und 14 abgebildeten Vorrichtung ist schematisch
dargestellt. Die Werkstoffauswahl muß entsprechend den hohen Temperaturen der Kammern
getroffen werden, die an ihrem Anlaßende bis über 10000 C betragen können. Im allgemeinen
wird der äußere Aufbau, nämlich die Wände 74, 75, die Decke 61 und der Boden 62,
aus feuerfesten Steinen bestehen, die durch eine entsprechende Tragkonstruktion
gehalten werden, während die wärmeleitenden Wände 60 der Retorte aus einem sehr
hitzebeständigen Werkstoff von großer Wärmeleitfähigkeit, etwa Siliciumkarbid, bestehen
müssen.
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Aus den gegebenen thermischen Daten kann leicht errechnet werden,
wieviel Wärmeeinheiten an das zu behandelnde Gut übertragen werden müssen, um den
beabsichtigten Arbeitsvorgang auszuführen. In Verbindung mit der Horizontalgeschwindigkeit
der Schicht kann so die Wärmemenge bestimmt werden, die je Minute durch die wärmeleitenden
Wände 60 hindurchgehen muß. Normalerweise wird bei solch einer Anlage die Geschwindigkeit
des Gases für die Fließbarmachung und der Beschickungsgrad mit neuem Gut, der die
Horizontalflußgeschwindigkeit des Gutes bestimmt, nach Gesichtspunkten gewählt werden,
die eine ideal fließende Schicht ermöglichen. Die Länge des Kanals wird dann bestimmt
durch die Wärmemenge, die zugeführt werden muß, um den gewünschten Arbeitsvorgang
durchzuführen. Es kann, wenn die Anlage einmal arbeitet, die zu übertragende Wärmemenge,
auf die Maßeinheit des Gutes bezogen, durch Ändern der Beschickungsmenge des in
die Kammer gelangenden frischen Gutes entsprechend geregelt werden, womit die Horizontalgeschwindigkeit
der Schicht geändert wird.
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Die Kammern für hohe Temperaturen können nebeneinander in Gruppen
mit einer gewöhnlichen Verbrennungskammer zwischen zwei benachbarten Kammern angeordnet
werden, oder sie können mit entsprechenden Konstruktionsänderungen übereinander
angeordnet sein.
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Der Arbeitsvorgang in den beschriebenen Kammern für hohe Temperaturen
und dem für niedrige Temperaturen hängt davon ab, daß eine fließbar gemachte Schicht
des Gutes beibehalten wird, welche sich
waagerecht weiterbewegt
und deren Breite sich vorteilhaft zwischen 15 und 90 cm bewegt, wobei ihre Tiefe
wesentlich größer ist als ihre Breite. Da es wünschenswert ist, in diesen Vorrichtungen
eine horizontale Flußgeschwindigkeit zu erreichen, die größer ist als 5 cm pro Minute,
und da, je breiter die Schicht, um so geringer die Schichtgeschwindigkeit sein muß,
ist zur Erzielung bester Ergebnisse auf Grund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit
der Seitenwände eine Schichtbreite von 30,5 bis 60 cm vorzuziehen.
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Schichtbreiten von weniger als 15 cm ergeben unerwünschte Oberflächenerscheinungen,
die den Gleichmäßigkeitsgrad des Behandlungsvorganges vermindern, wohingegen Schichtbreiten
von über 90,5 cm ungleichmäßige Bedingungen innerhalb der Schicht durch Entstehung
von Querströmen und Wirbeln in Fluß des Gutes ergeben. Der kritische Faktor jedoch,
der größere Breiten als 90 cm verbietet, ist die besondere Wärmeleiteigenschaft
des fließenden Gutes. Bis zu einer Entfernung von 30 cm von dem heizenden Körper
kann die Übertragung der Wärme an das Gut als rasch angesehen werden. Bei größeren
Entfernungen kommen nicht näher bestimmbare Faktoren zur Wirkung. Es wurde beobachtet,
daß bei einer fließbar gemachten Schicht zwischen zwei Heizwänden, die bis zu 90
cm voneinander entfernt sind, die Wärmeübertragung an alle Teile der Schicht noch
gleichmäßig in kurzer Zeit erfolgt; größere Heizwandzwischenräume ergeben jedoch
bald nennenswerte Abweichungen in der Berechnung der Wärmeübertragung. Wenn sich
die Schichtbreite zwischen 15 und 90 cm bewegt, ist die Wärmeiibertragung auf die
Schicht durch senkrechte, wärmeleitende Wände. welche die Schicht auf jeder Seite
begrenzen, besonders vorteilhaft.
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Bei bestimmten Gegebenheiten mag es wünschenswert sein, die Wärme,
die dem Gut durch die wärmer leitenden Seitenwände 60 übertragen wird, durch die
Anordnung von einem oder mehr Brennern innerhalb der fluidisierten Schicht zu erhöhen,
wie es z. B. in Fig. 14a dargestellt ist, wo die Öffnung des Brenners 82 knapp iiber
der Oberfläche der durchlässigen Wand 63 liegt. Diese Form der Anordnung kann sich
als vorteilhaft bei der Behandlung von verhältnismäßig grobem Gut der oberen Fließbarkeitsgrenze
erweisen.
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Bei diesem gröberen Gut wird die Wärmeleitfähigkeit innerhalb der
fließenden Schicht zu einem gewissen Grade dadurch beeinflußt, daß die Wärme angemessene
Zeit benötigt, um durch die Oberfläche jedes einzelnen Kornes in das Innere desselben
einzudringen, wobei diese Zeit natürlich von der Wärmeleitfähigkeit des behandelten
Gutes abhängt. Es ist jedoch vorzuziehen, keine Brenner unmittelbar in die fließende
Schicht zu bringen, außer beim Vorliegen gröbsten Gutes. da die Bedingungen für
das Fließen im entsprechenden Teil der Kammer gestört werden und die Verluste durch
Mitreißen sich stark steigern. Diese Kontaktbrenner haben ferner den Nachteil, daß
ihre Brennstoffe einen hohen Reinheitsgrad haben müssen, die das mit den Verbrennungsrückständen
in Berührung kommende Gut möglichst wenig verunreinigen.
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Bei entsprechender Auslegung der Vorrichtung ist es wünschenswert,
die Wärme dem Gut, das durch die Vorrichtung hindurchfließt, entsprechend dem Wärmebedarf
dieses Gutes innerhalb des erforderlichen Temperaturbereiches zu übermitteln. Zum
Beispiel wird das Gut mehr Wärme innerhalb von Temperaturbereichen benötigen, in
denen endotherme Reaktionen oder strukturelle Umbildungen im Gut stattfinden während
weniger Wärme innerhalb von Temperaturbereichen nötig sein wird, in denen exotherme
Reak-
tionen stattfinden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Möglichkeit,
den verschiedenen Wärmebedürfnissen gerecht zu werden, durch eine solche Anordnung
der verschiedenen Kammern innerhalb der Anlage gegeben, daß die Temperaturbereiche
durch Regeln der horizontalen Schichtgeschwindigkeit in dieser Kammer beherrscht
werden, so daß sich das Gut nur für die Zeitdauer in der Kammer befindet, die nötig
ist, um die notwendige Wärme aufzunehmen.
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Fig. 15 und 16 zeigen die Entleerung der Kammern 90 und 91 durch
die Seitenwand 92 eines Verteilers 93, in dem das Gut nicht beheizt zu werden braucht
und dessen Seitenwände 92, 94, 95 und 96 keine Wärme übertragen sollen, sondern
isoliert sind, um Wärmeverluste zu vermeiden.
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Die Kammern 97, 98, 99 und 100 sind an die Seitenwand des Verteilers
93 angeschlossen und dadurch mit dessen Innerem durch die freien Räume unter bzw.
über den Stauwänden 101, 102, 103 und 104 verbunden.
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Da alles Gut im Verteiler 93 fließbar ist, wird das vom Auslaß der
Kammern 90 und 91 kommende Gut sich gleichmäßig auf die Länge des Verteilers verteilen
und unter oder über den Stauwänden 101, 102 und 103 in die Kammern 97, 98 und 99
bzw. über die Stauwand 104 in die Kammer 100 fließen. Eine der vom Verteiler zu
speisenden Kammern ist vorzugsweise immer mit demselben durch eine tJberströmstauwand
verbunden, um ein Überfließen des Durchganges zu vermeiden, wenn dort eine plötzliche
Gutstauung, möglicherweise durch Unachtsamkeit des Bedienungspersonals der Anlage,
auftritt.
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Durch die Verteiler kann eine Veränderung der Kapazität der Anlage
erreicht werden. Der Fluß durch jeden Durchgang ist begrenzt durch dessen Querschnitt
und den Grad des horizontalen Durchflusses, der beibehalten werden muß, um eine
hinreichende Wärmeabgabe an das Gut zu gewährleisten.
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Jedoch kann durch die parallellaufenden Kammergruppen und Anordnung
der einzelnen Kammern in der oben beschriebenen Art eine Anlage entworfen werden,
die jede gewünschte Kapazität lediglich durch Änderung in der Gesamtzahl der Kammern,
welche in paralleler Verbindung zueinander stehen, ermöglichen.
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In Fällen, in denen bei besonderen Temperaturbereichen keine Gasbildung
während der Erwärmung des Gutes auftritt, kann es erforderlich werden, senkrechte
Kammern zu verwenden, wobei besondere Vorteile sich aus der Kombination mit horizontalen
Kammern ergeben können.
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Zwei Beispiele von solchen Vertikalkammern sind in den Fig. 17 und
18 gezeigt. Sie bestehen grundsätzlich aus den senkrechten Hohlzylindern 110, die
aus verhältnismäßig dünnem, hitzebeständigem Metall hergestellt sind. Ihr Durchmesser
wird von den gleichen Erwägungen bestimmt, wie es bei der Breite der horizontalen
Kammern der Fall ist und sollte sich deshalb zwischen 15 und 90 cm bewegen.
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Das Gut wird gemäß Fig. 17 in die Kammer durch ein senkrechtes Beschickungsrohr
111 gegeben, das in eine Fülltasche 112 an der Seite der Kammer mündet.
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Der Boden 113 der Fülltasche 112 ist abgeschrägt, wobei der Winkel
größer ist als der Schüttwinkel des zu behandelnden Gutes, so daß das Gut durch
die Schwerkraft in das Innere des vertikalen Zylinders 110 fließt. Diese Beschickungsanordnung
entspricht der Methode, die bei der horizontalen Kammer nach Fig. 1 Verwendung findet.
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In die in Fig. 18 gezeigte Kammer wird das Gut z. B. auf die in Fig.
7 dargestellte Weise gegeben. Das
Gut gelangt durch das senkrechte
Beschickungsrohr 114 in die Kammer. Das Beschickungsrohr 114 steht gleichachsig
zum Zylinder 110 und reicht bis zu einem Punkt, der sich unter der Oberfläche der
fließbar ge machten Schicht befindet. Zur Verhinderung der Bildung von Luftdrosseln
innerhalb des Beschickungsrohres 114 ist ein konisch geformter Staukörper 115 unmittelbar
unter dem unteren Ende des Beschikkungsrohres 114 angebracht, der durch vier kleine
Tragarme 116 gehalten wird, die an der Innenwand des Zylinders 110 befestigt sind.
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In beiden Kammern ist eine waagerechte, durchlässige Wand 117 in
Bodennähe angebracht, um eine Gaskammer 118 abzuteilen, in die ein eingestellter
Gasstrom durch das Zuleitungsrohr 119 geleitet wird.
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Das Gut verläßt die Kammer durch die nach unten gerichteten Auslaßrohre
120, die kurz über der Wand 117 in das Innere der Kammer münden.
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Der Spiegel der fließenden Säule des Gutes in der senkrechten Kammer
wird durch die Überströmrohre 121 in erwünschter Höhe konstant gehalten, während
das Gas selbst den Oberteil der Kammer durch den Auslaßstutzen 122 verläßt, nachdem
es erst durch die erweiterten Teile 123 gelangt, die seine Geschwindigkeit vermindern
und wobei die meisten der feinen Bestandteile, mit denen es sich angereichert hat
und die von der Schichtoberfläche 124 aus mit nach oben gerissen wurden, abgegeben
werden. Vertikalkammern der in Fig. 17 gezeigten Type sind in der einen An lage
nach den Fig. 20 bis 24 gezeigt.
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Die durchlässigen Wände, durch welche das Gas aufwärts in das zu
behandelnde Gut eingeführt wird, müssen eine genügende Gasdurchlässigkeit, Wärmebeständigkeit
und mechanische Stärke haben. Es hat sich als besonders wünschenswert erwiesen,
eine Wand zu benutzen, die einen spürbaren Widerstand gegen ein durch sie hindurchfließendes
Gas aufweist, da dieses gleichmäßigere Fließbedingungen schafft und eine genauere
Regelung erlaubt. Deshalb werden die Kammerwände vorzugsweise in der in Fig. 19
gezeigten Mehrschichtenform vorgesehen, wobei eine Lage von Asbesttuch 125 zwischen
zwei Sieben oder gelochten Platten 126 und 127 gelegt ist. Die Wände der Kammern
für hohe Temperaturen werden aus durchlässigem, hitzebeständigem Werkstoff hergestellt.
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Ein spürbarer Vorteil im Wärmehaushalt derartiger Anlagen kann dadurch
erreicht werden, daß die Feuerung mit einer Dampferzeugungsanlage verbunden wird.
Nach den Fig. 20 bis 24 wird die Anlage unter dem Einfluß der Schwerkraft durch
das Beschickungsrohr 130 (Fig. 20) zunächst im waagerechten Verteilerdurchgang 131
mit Gut gefüllt. In diesem Durchgang wird das Gut, z. B. ein feinverteiltes Metallhydroxyd,
durch das durch die durchlässige Wand 132 aufsteigende Gas fließbar gemacht.
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Dieser Durchgang ist der Länge nach in eine Verteilerkammer 133 und
eine Abgabekammer 134 durch die Stauwand 135 geteilt. Das Gut wird vom Rohr 130
in die Verteilerkammer 133 gegeben, wo es sich gleichmäßig über die Länge des Durchganges
131 verteilt und unter der Stauwand 135 in die Abgabekammer 134 fließt, wo es dann
in die Überlaufrohre 136 gelangt, die als Speiserohre für die erste Reihe von Kammern
für niedrige Temperatur 137 dienen.
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Nachdem es die Reihe der Kammern 137 durchlaufen hat, wird das Gut
durch die tiberlaufrohre 138 weitergeleitet, die gleichzeitig die Speiserohre für
die zweite Reihe von Kammern für niedrige Temperatur 139 sind, welche der ersten
Kammerreihe 137 entspricht.
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Bei Passieren der Kammerreihen 137 und 139 findet die Dehydratisierung
statt, und das entwässerte Gut wird dann durch die Überlaufrohre 140 in den Verteilerdurchgang
141 entleert, durch welchen es gleichmäßig auf die dritte Reihe von Horizontalkammern
142 verteilt wird, in denen es von ungefähr 200 auf etwa 550° C aufgeheizt wird.
Von der dritten Kammerreihe 142 wird das Gut durch die Überlaufrohre 143 in den
U-förmigen Verteiler 144 entleert, der es gleichmäßig auf drei Reihen vertikaler
Kammern 145 verteilt, in denen die letzte Wärmestufe erreicht wird. Das Gut wird
aus diesen Kammern in einen U-förmigen Sammler 146 entleert und verläßt die Vorrichtung
durch zwei Auslaßrohre 147 und 148.
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Die senkrechten Kammern 145 bilden Wände um die Strahlungszone des
Verbrennungsraumes 149 in der Mitte der Feuerung. Hinter diesen Wänden liegen Rohrreihen
145 b, die zur Dampferzeugung od. dgl. dienen. Im vorliegenden Fall gelangt staubförmiger
Brennstoff zur Anwendung, dessen Achse sich in der Aschengrube 150 sammelt. In Fig.
20 sind Einzelheiten der Feuerung fortgelassen, um die Zeichnung übersichtlich zu
erhalten, jedoch ist die Feuerung selbst als bekannte Kohlenstaubfeuerung ausgebildet,
es kann aber auch z. B. eine Wanderrostfeuerung eingebaut sein.
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Ebenfalls nicht dargestellt ist in Fig. 20 das System zur Verteilung
des Gases auf die verschiedenen Fluidisierkammern und die Mittel, um das austretende
Gas von den Oberseiten der verschiedenen Fluidisierkammern aufzunehmen und zu sammeln.
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Diese Systeme sind in den Fig. 21 und 22 dargestellt.
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Bei Vorliegen von Luft zum Fließbarmachen kann dieselbe vorteilhaft
einer Druckluftleitung entnommen werden, wie das in Fig. 21 schematisch dargestellt
ist.
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Verdichtete Luft aus der Hauptleitung 151 wird gesondert an die verschiedenen
Etagen der Anlage durch eine Anzahl einzelner Versorgungsleitungen verteilt, von
denen jede mit einer Meßvorrichtung 152 (entweder einer Blende oder einem Durchlaufmesser)
und einem Regelventil 153 versehen ist. Die Meßvorrichtungen 152 und 153 können
auf einem Kontrollbrett an einem entsprechenden Platz nahe der Kammern angeordnet
sein. Wie schematisch dargestellt, wird das Gas für den Verteiler 131 durch die
Luftleitung 154a geleitet; das Gas für die erste Reihe von Kammern für niedrige
Temperaturen 137 geht durch die Luftleitung 155; die zweite Reihe von Kammern 142
wird von der Leitung 158 gespeist, der U-förmige Verteiler 144 von der Leitung 159.
Der Uberströmdurchgang 154 wird von der Leitung 160 gespeist. Die senkrechten Kammern
145 werden durch Leitungen 161, 161a und 161 b versorgt, wobei an den beiden letzteren
die weniger belasteten, weiter unten beschriebenen Kammern angeschlossen sind; schließlich
wird der Sammelbehälter 146 von der Leitung 162 gespeist.
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Eine Möglichkeit, das Fluidisiermittel aus den Oberteilen der verschiedenen
Fluidisierkammern zu sammeln, ist in Fig. 22 gezeigt und besteht aus einem Sammler
163, in dem die gesammelten Gase von den oberen Teilen der Fluidisierkammern wie
folgt entleert werden: vom Sammelbehälter 146 durch Abzweigsammler 164, von den
senkrechten Kammern 145 und dem U-förmigen Verteilerdurchgang 144 durch den Abzweigsammler
165, von der Kammerreihe 142 durch den Abzweigsammler 166, vom Verteilerdurchgang
141 durch den Abzweigsammler 167, von der Kammerreihe 139 durch den Abzweigsammler
168, von Kammerreihe 137 durch den Abzweigsammler
169 und schließlich
vom Verteilerdurchgang 131 durch den Abzweigsammler 170. Der Durchmesser des Sammelrohres
163 nimmt dabei entsprechend der wachsenden Menge des an dasselbe abgegebenen Gases
zu.
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Das Sammelrohr 163 kann vorzugsweise außerhalb der Anlage angebracht
werden, wobei die Abzweigsammler durch die umgebende Wand der Anlage geführt sind,
um eine Verbindung mit den Oberteilen der verschiedenen Fluidisierkammern herzustellen.
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Das Gas, das schließlich durch den Sammler 163 abgeführt wird, ist
sehr heiß, und es kann deshalb vorteilhaft sein, zumindest einen Teil davon nach
Staubabscheidung zur Wiederverwendung in den Sammler 151 zur erneuten Fließbarmachung
des Gutes zu führen oder als vorgewärmte Verbrennungsluft für die Feuerung zu benutzen.
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Der Überlaufsammeldurchgang 154' ist U-förmig ausgebildet, wie in
Fig. 23 gezeigt, und außer zwei Kammern entleeren sich alle senkrechten Kammern
in diesen Durchgang durch ihre Überlaufrohre 171. Die beiden anderen Kammern 145
a werden nicht vom Verteilerdurchgang 144, sondern vom lDberlaufdurchgang 154' durch
den Stutzen 172 gespeist.
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Die vorstehend beschriebene Anlage hat den hauptsächlichen Vorteil,
daß sie mit einer Dampferzeugungsanlage kombiniert ist, wobei die gleiche Feuerung
und der gleiche Brennstoff sich einmal zur Behandlung und zum anderen zur Dampferzeugung
verwenden lassen. Die Rückgewinnung aller nennenswerten Wärmemengen, die durch Verbrennung
von Brennstoff erzeugt werden und die die Anlage nicht mit dem behandelten Gut,
mit den verbrauchten Gasen zur Fließbarmachung oder mit den Rauchgasen verlassen,
ist möglich durch die Verwendung von Wasserrohrwänden zum Auskleiden der nicht ausgenutzten
Wände des Feuerraumes, die Verwendung von wassergekühlten Aufbauteilen zum Tragen
der verschiedenen Kammern und die Anbringung von Siederohren innerhalb des Verbrennungsraumes
149, wie bei 173 gezeigt. Da ein großer Teil der fühlbaren Wärme in dem heißen behandelten
Gut in verwendbarer Form wiedergewonnen werden kann, indem dieses Gut durch einen
Kühler geführt wird, und so die Wärme in den verbrauchten Gasen in großem Ausmaß
wiedergewonnen werden kann durch Verwendung z. B. als vorgewärmte Verbrennungsluft,
wird ein außerordentlich hoher wärmewirtschaftlicher Wirkungsgrad erzielt.
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Eine weitere Ausführungsform, die sich vorzugsweise für die Behandlung
von Gut bis zu einer Endtemperatur, die 10000 C überschreitet, eignet, ist in Fig.
25, 26 und 27 gezeigt. Das zu behandelnde Gut ist hier ein feinverteiltes Metallhydroxyd,
z. B.
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Aluminiumhydroxyd, das etwa 50°/o der Gesamtwärme bei einer Temperaturhöhe
zwischen etwa 250 und 3500 C, etwa 259/o zwischen ungefähr 350 und 5500 C und etwa
25°/o zwischen ungefähr 550 und 10000 C benötigt, wobei die Behandlung bis auf 10000
C gesteigert werden muß, um einen Wechsel in der Gitterstruktur des Oxydes mit einem
schwachen exothermen Effekt bei 10000 C zu bewirken.
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In dieser Anlage verläuft der Fluß des Gutes, wie aus Fig. 26 erkennbar,
wie folgt: Das Gut tritt durch das Beschickungsrohr 175 in den Verteiler 176 ein,
von wo es in eine Gruppe von waagerechten Kammern 177 fließt, die bei einer Temperatur
zwischen 250 und 3500 C arbeiten. Der Fluß durch die Kammern der Gruppe 177 wird
langsam sein, entsprechend der Anwendung einer verhältnismäßig großen Zahl parallel
geschalteter Kammern. Von der Gruppe 177 fließt
das Gut in einen zweiten Verteiler
178, der den Fluß in acht Ströme aufteilt, die durch eine zweite Gruppe 179 fließen.
Da der Wärmebedarf des Systems zwischen 350 und 5500 C spürbar kleiner ist als im
Falle von Gruppe 177, wo eine endotherme Dehydratisierung stattfindet, ist ein schneller
Fuß erwünscht, so daß eine geringere Wärmeaufnahme innerhalb dieses Temperaturbereiches
erfolgt. Aus der Gruppe 179 wird das Gut im Verteilerdurchgang 180 aufgenommen und
unter Aufteilung in fünf Ströme durch fünf tiefe Kammern für hohe Temperaturen weitergeleitet.
Hier wird das Gut auf 10000 C gebracht, wozu die bei diesem Vorgang frei werdende
Umwandlungswärme beiträgt. Die Kammern für hohe Temperaturen der Gruppe 181 entleeren
in den Sammeldurchgang 182, der seinerseits wieder in einen nicht gezeichneten Kühler
entleert, in dem etwa 30°/o der gesamten Behandlungswärme in Form von Nutzdampf
wiedergewonnen werden kann.
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Zur Fließbarmachung des Gutes dient Rauchgas aus der Verbrennung
eines gasförmigen Brennstoffes, der in Gasvorheizkammern 188 und 189 verheizt wird.
Die Kammern für hohe Temperaturen 181 werden durch den Sammler 190 und durch Öffnungen
191 versorgt, die zu den entsprechenden Gaskammern öffnen. Die Gruppen 179 und 177
und der Verteiler 176 werden durch nicht gezeichnete Leitungen gespeist, die von
den Vorheizkammern 188 und 189 kommen.
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Zum Sammeln des aus den Oberseiten der Fluidisierkammern austretenden
Gases sind zwei Systeme vorgesehen. Das erste System besteht aus den Rohren 192,
193, 194, 195, 196 und 197 und sammelt Gas, das keine Feuchtigkeit, dagegen aber
Staubbeimischungen des bereits dehydratisierten Gutes enthält. Das andere System
umfaßt drei Rohre 198, 199 und 200 und sammelt die mit Feuchtigkeit angereicherten
Gase von der Kammergruppe 177, die außerdem Staub aus dem Gut enthalten.
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In dem Beispiel ist ein Gas mit niedrigem Heizwert als Brennstoff
angenommen. Die Verbrennung geschieht in den Feuerungen 201 unter Verwendung heißer
Primärluft aus den Gasvorheizkammern 188, durch die unter unmittelbarer Berührung
die hochleitfähigen Wände 202 der Kammern beheizt werden.
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Das heiße Rauchgas strömt alsdann durch die Räume 203 und 204 in den
mittleren Teil, wo es an den Mitteltemperaturkammern 179 vorbeistreicht, bis es
in die engen Kanäle 205 zwischen die Kammern der obersten Gruppe 177 gelangt. Die
Gesamtgeschwindigkeit des aufsteigenden Gases wird dabei vermindert und unterstützt
den Wärmeaustausch zwischen dem Gas und den Kammern. Die Verbrennungsgase verlassen
die Anlage durch den Kamin 206.
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Feste Stoffe, die vorteilhaft in der Wirbelschichtanlage gemäß der
Erfindung behandelt werden können, sind z. B. gemahlene Erze, Erzabfallschlämme,
Metalloxyde, mineralische Pigmente und Mineralien.
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Das beschriebene Kammersystem für niedrige Temperaturen kann mit
besonderen Vorteilen für die Behandlung von Koalin, aktivierter Tonerde, Bauxit,
Walkerde, gelben und braunen Eisenpigmenten und verschiedenen metallischen Hydroxyden
angewandt werden.
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Das oben beschriebene Hochtemperatursystem kann z. B. mit besonderen
Vorteilen zur Behandlung von Tonerde, Titandioxyd, dunklen Eisenpigmenten, Metallkarbonaten
und Sulfiderzen angewandt werden.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anlage für chemische Reaktionen
zwischen Feststoffen und
Gasen benutzt werden. Sie eignet sich z.
B. für die Kalzinierung von Petroleumkoks, die Chlorierung von Aluminiumhydroxyd
mittels eines Gemisches von Chlor und Kohlenmonoxyd sowie für die Fluorierung von
Aluminiumoxyd mittels gasförmigen Fluorwasserstoffes.
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Zusammengefaßt ergibt die Anlage nach der Erfindung folgende Vorteile:
1. Wandelbarkeit und Leistungsfestlegung in Entwurf und Anordnung der Anlage in
weiten Grenzen, 2. leichtes Instandhalten, da keine sich bewegenden Teile innerhalb
der Anlage vorhanden sind, 3. Genauigkeit der Wärmeabgaberegelung an das Gut innerhalb
jeden Temperaturbereiches, 4. günstige Wärmewirtschaft, besonders in den Fällen,
in denen die Anlage in Verbindung mit einer Feuerung und einer Dampferzeugungsanlage
benutzt wird, 5. gedrungenen Aufbau, so daß hohe Durchsätze auf kleinstem Anlageraum
erzielt werden können, 6. Verwendung von beliebigem Brennstoff, 7. geringe Staubverluste
durch die genaue Regelung der Gasmenge, die an die Fluidisierkammern gegeben wird,
in Verbindung mit Staubabscheidung.
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PATENTANSPROCHE: 1. Wirbelschichtanlage mit kontinuierlichem Durchfluß
der Feststoffe, bestehend aus mehreren langgestreckten und im wesentlichen waagerechten
Wirbelschichtreaktoren mit waagerechter Gutwanderung und indirekter Beheizung der
Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Reaktoren parallel zueinander
und im Abstand voneinander reihenweise angeordnet sind, wobei im Raum zwischen zwei
benachbarten Reaktoren Heizmittel vorgesehen sind, um Wärme durch die Wände der
Reaktoren auf die Wirbelschicht entsprechend der Schichthöhe in jedem Reaktor zu
übertragen.