DE1178001B

DE1178001B - Verfahren und Vorrichtung zum Waerme-austausch zwischen staubfoermigem Gut und Gas in der Sch, insbesondere zur Vor-behandlung von Zementrohrgut mit Abgasen eines nachgeschalteten Fertigbrennofens

Info

Publication number: DE1178001B
Application number: DEP17556A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Bernd Helming
Original assignee: Polysius AG
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1956-12-08
Filing date: 1956-12-08
Publication date: 1964-09-10
Also published as: SE307419B; GB866537A; DE1178001C2; CH356149A; US3135588A; BE563034A; AT205008B; DK106423C

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen staubförmigem Gut und Gas in der Schwebe, insbesondere zur Vorbehandlung von Zementrohrgut mit Abgasen eines nachgeschalteten Fertigbrennofens Staubförmiges, aber auch körniges, insbesondere feinkörniges Gut hat man bisher meist in der Weise einer Wärmebehandlung mit Gasen unterworfen, daß man das sogenannte Gleichstromverfahren anwandte. Bei diesem Verfahren wurde das Gut in den Gasstrom eingestreut und von den mit großer Geschwindigkeit fließenden Gasen mitgerissen. Alsdann wurde das Gas zusammen mit dem Gut einem Zyklon od. dgl. zugeführt, wo das Gut aus dem Gas ausgeschieden wurde. Die Wärmeübertragung erfolgte dabei hauptsächlich in der Gasleitung, in der die einzelnen Gutkörner allseitig von den Gasen umschlossen waren. Sie schwebten in dem Gasstrom. Ein geringer Teil der Wärmeübertragung fand auch in dem nachfolgenden Zyklon statt. Hier schlug sich das Gut an der Wandung des Zyklons nieder und die Gase strichen über die sich bildende Gutschicht hinweg.
Der Hauptnachteil dieser Art Wärmeübertragung besteht in dem Gleichstromprinzip, bei dem die Endtemperatur von Gas und Gut dieselbe ist. Handelt es sich z. B. um die Erwärmung von Gut durch heiße Gase, so entspricht die Höchsttemperatur, die das Gut erreichen kann, der Temperatur der Gase, die diese am Ende der Wärmeübertragung noch besitzen. Das bedeutet einerseits nur eine mäßige Erwärmung des Gutes, andererseits hohe Wärmeverluste durch die Abgase, die ja nur mäßig abgekühlt werden können.
Man hat zwar schon dieses Gleichstromverfahren in mehreren hintereinandergeschalteten Stufen durchgeführt. Je ein Aggregat, bestehend aus Gasleitung und Zyklon, wurde so hinter das andere geschaltet, daß das Gas nacheinander sämtliche Aggregate durchströmte, das Gut aber, das in einem Zyklon ausgeschieden wurde, wurde dem in Fließrichtung der Gase davor liegenden Aggregat von neuem aufgegeben. Das Gut führte also eine pilgerschrittartige Bewegung aus. Der Hauptnachteil des Gleichstromverfahrens, seine außerordentlich schlechte Wärmewirtschaftlichkeit, wurde auf diese Weise zwar gemildert, aber, um einen einigermaßen guten Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung zu erzielen, bedurfte es der Hintereinanderschaltung sehr vieler solcher Aggregate. Das bedeutete aber nicht nur eine Komplizierung der Anlage, sondern auch hohe Betriebskosten für ein entsprechend starkes Gebläse, das die Gase nacheinander durch die vielen Zyklone fördern mußte.
Man hat weiter schon vorgeschlagen, das hinsichtlich des Wirkungsgrades bei der Wärmeübertragung erheblich bessere Gegenstromverfahren anzuwenden. Hier bewegen sich Gut und Gas in entgegengesetzter Richtung, meist in der Weise, daß man das Gut in einem Schacht der Schwerkraft folgend herabrieseln ließ, während das Gas unten zugeführt und oben abgeführt wurde. Bei feinkörnigem Gut - in der Zementindustrie z. B. wird das Gut vor der Wärmebehandlung staubfein gemahlen - ergibt sich dabei die Schwierigkeit, daß die Gasgeschwindigkeit sehr niedrig gewählt werden muß; damit das Gut von den Gasen nicht einfach mitgerissen wird. Das bedingt aber außerordentlich große Abmessungen der zugehörigen Apparatur, entsprechend hohe Kapitalkosten und große Wärmeverluste durch Abstrahlung nach außen.
Es sind auch schachtartige, in mehrere Stufen unterteilte Trockenvorrichtungen bekannt, bei denen oben aufgegebenes Gut auf dem Wege nach unten stufenweise im Gleich- und Gegenstrom oder nur im Gegenstrom getrocknet wird, wobei in den Gegenstromstufen frische, heiße Gase zwecks Erhöhens der Trockenwirkung tangential zugeführt werden, die im obersten Teil des Trockners mit angehobenem Feuchtigkeitsgehalt unter Mitführen des Feingutanteils abgezogen werden. In einem nachgeschalteten Abscheider werden die Feingutanteile von den Gasen getrennt. Die groben Anteile des zu trocknenden Guts dagegen verlassen die einzelnen Trocknerstufen unten durch konische Ausläufe und treten so in die nächste Trockenstufe ein oder verlassen in der letzten Stufe als bereits getrocknetes Fertigprodukt die Trockenvorrichtung Über einen trichterförmigen Auslauf.
Diese Vorrichtungen mögen sich zum Trocknen von Gut eignen, sie versagen jedoch, wenn ihnen die Aufgabe zufallen sollte, kaltes, einkörniges Gut mit heißen Abgasen eines Drehrohrofens wärmeökonomisch vorzuwärmen und es anschließend stark erhitzt einem Drehrohrofen zuzuführen. Hierzu sind diese Vorrichtungen konstruktionsgemäß nicht geeignet, weil in den vorbekannten Trocknern die frischen Heißgase jeder Stufe frisch zugeführt werden, so daß sie den Großteil ihrer Gesamtwärmemenge dem herabrieselnden Gut nicht abzugeben imstande sind.
Die Folge davon ist, daß das Gut weniger vorgewärmt wird, und die Heißgase mit zu hoher Temperatur die Trockenvorrichtung verlassen. Derart hohe Wärmeverluste wären beispielsweise bei einem nach dem Schwebegasprinzip arbeitenden Vorwärmer der Zementindustrie untragbar.
Beim Gegenstand der Erfindung wird deshalb das Heißgas in seiner Gesamtheit im untersten, sich konisch nach abwärts verjüngenden Teil des Vorwärmerschachtes zentral zugeführt, durch welchen gleichzeitig das oben aufgegebene und auf dem Weg von Stufe zu Stufe allmählich sich vorwärmende Gut in den Drehofen geleitet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich des Gegenstromprinzips mit seinem hohen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung, vermeidet jedoch die Nachteile, die diesem Prinzip bei feinkörnigem Gut bisher anhafteten. Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine einfache und billige Bauweise der zugehörigen Apparatur, einen geringen Platzbedarf und einen niedrigen Energieaufwand. Das Verfahren dient einem Wärmeaustausch zwischen staubförmigem Gut und Gas in der Schwebe, insbesondere zur Vorbehandlung von Zementrohgut mit den Abgasen des nachgeschalteten Fertigbrennofens, in einem im wesentlichen zylindrischen Schacht, dem das Gut oben aufgegeben und nach der Wärmebehandlung unten ; abgezogen wird, während das Gas unten axial in den Schacht ein- und oben axial aus dem Schacht abgeführt wird. Das Erfinderische des Verfahrens ist darin zu erblicken, daß ein kleiner Teilstrom von dem Hauptgasstrom abgezweigt und mit hoher Geschwindigkeit tangential in den Schacht eingeblasen wird, daß Gut und Gas in eine rotierende Bewegung versetzt und das Gut ähnlich wie bei einem Zyklon nach außen gegen die Wand des Schachtes gedrängt wird, wo es abwärts sinkt.
Das Verfahren besteht somit darin, in einem senkrecht stehenden zylindrischen Schacht das gasförmige Medium mit einer solchen Geschwindigkeit dem Gut entgegen nach oben zu führen, daß das Gut etwa in der Schwebe verharrt. Die Gasgeschwindigkeit kann auch etwas größer gewählt werden. Gleichzeitig wird jedoch dem gasförmigen Medium eine rotierende Bewegung erteilt, so daß das Gut unter der Wirkung der dabei auftretenden Zentrifugalkräfte nach der Schachtwandung zugeschleudert wird. In unmittelbarer Nähe dieser Schachtwandung, in der sogenannten Grenzschicht, nimmt aber erfahrungsgemäß die Gasgeschwindigkeit stark ab, und zwar sowohl diejenige in Richtung nach oben als auch die in Umfangsrichtung. Die Gasgeschwindigkeit wird durch die Reibung der Gase an der Wandung abgebremst. Unmittelbar an der Wandung sind beide Geschwindigkeiten nazu gleich Null. Hier kann daher das Gut, seiner Schwerkraft nachgebend, der nach oben gerichteten Wanderrichtung der Gase entgegen nach unten rieseln.
Wie Versuche ergeben haben, rieselt das Gut in der Grenzschicht in Spiralen nach unten. Es gibt also der rotierenden Bewegung der Gase in dem Schacht etwas nach. Gleichzeitig fließen die Gase in dem übrigen Teil des Schachtquerschnittes (außer in der Grenzschicht) in Spiralen nach oben. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht also eine Betriebsweise nach dem Gegenstromprinzip. Dabei ist die Wärmeübertragung zwischen Gas und Gut schon deshalb sehr lebhaft, weil nicht nur jedes einzelne Gutkorn von seiner Aufgabe bis zur Erreichung der Grenzschicht vollständig von Gas umgeben ist, sondern weil auch Gut und Gas dabei eine Relativbewegung gegeneinander ausführen. Das Gas führt eine kreis- bzw. spiralförmige Bewegung aus, während das Gut von der Mitte des Schachtes nach außen wandert.
Das dann folgende langsame Abwärtswandern des Gutes bedingt weiterhin eine gute Wärmeübertragung, und zwar einmal deswegen, weil eine lange Zeit vergeht, bis das Gut schließlich am unteren Ende des Schachtes angelangt ist, also eine große Zeitspanne für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht, und zum zweiten, weil es sich um eine außerordentlich dünne Gutschicht handelt, die zudem an der Wandung des Schachtes nicht etwa anhaftet; wie dies bei einem Zyklon der Fall zu sein pflegt, sondern in Spiralen langsam nach abwärts wandert. Während dieser letzteren Wanderung findet also ebenfalls eine Relativbewegung zwischen dem Gut und den Gasen statt.
Es ist augenscheinlich, daß bei diesem Verfahren die Geschwindigkeit der Gase in Richtung des Schachtumfanges und die in Richtung nach oben aufeinander abgestimmt sein müssen. Bei einer gegebenen Stückgröße der Masse des zu behandelnden Gutes wird dieses von den Gasen nach oben mitgenommen, falls nicht durch gleichzeitige Rotation der Gase die Gutkörner nach außen gegen die Wandung geführt werden. Wählt man die Geschwindigkeit in Richtung nach oben größer, so muß auch die Rotationsgeschwindigkeit vergrößert werden.
Handelt es sich um ein Gut, das nicht so feinkörnig wie z. B. Zementrohgut ist, sondern grobkörniger, so ist die Sinkgeschwindigkeit dieser groben Körner dem aufsteigenden Gasstrom entgegen unter Umständen erheblich größer. Die Geschwindigkeit der Gase in Richtung nach oben muß dann ebenfalls erheblich größer gewählt werden, damit das Gut im Zustand des Schwebens gehalten wird. Dieser Geschwindigkeit der Gase in Richtung nach oben muß wider ihre Rotationsgeschwindigkeit angepaßt werden. Beide Geschwindigkeiten sind also der jeweiligen Stückgröße des Gutes anzupassen. Ändert man jedoch bei gegebener Stückgröße die eine Geschwindigkeit, so muß die andere im gleichen Sinne verändert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird dieses ähnlich wie bei den vorerwähnten Trocknern mehrfach wiederholt. Zu diesem Zweck werden mehrere Schächte bzw. Teilschächte übereinander angeordnet, wobei jeder Teilschacht zweckmäßig an seinem unteren Ende etwas konisch verjüngt ist. Diese Anordnung ist jedoch so getroffen, daß eine zusätzliche Zufuhr von Frischheißgas in die eingegebenen Stufen angeschlossen ist und das Heißgas lediglich der tiefsten Gutauslaßstelle zugeführt wird. Das in den obersten Teilschacht eingestreute Gut durchwandert von oben nach unten die einzelnen Teilschächte und wird dabei immer weiter erhitzt. Es wandert den von unten nach oben fließenden Gasen entgegen, die von Teilschacht zu Teilschacht weiter abgekühlt werden. Dieser Abkühlung entspricht eine Volumenverkleinerung der Gase. Damit nun die Gasgeschwindigkeit in Richtung von unten nach oben trotzdem in allen Teilschächten annähernd gleich groß bleibt, wird der Durchmesser der Teilschächte, von oben nach unten gerechnet, immer größer gewählt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird das Gut mit Hilfe eines rotierenden Drehtellers in den obersten Teilschacht aufgegeben. In diesem Teilschacht sind die Gase schon erheblich abgekühlt, und das Gut ist ebenfalls kalt. Ein Teil des Gutes oder, sofern man die Abmessungen des Schachtdurchmessers und des Streutellers entsprechend wählt, der größere Teil des Gutes, wird hier von den aufsteigenden Gasen nach oben mitgerissen und in hintergeschalteten Zyklonen od. dgl. aufgefangen. Alsdann wird das aufgefangene Gut von neuem in den obersten Teilschacht aufgegeben, jedoch nicht zusammen mit dem frischen kalten Gut, sondern weiter unten. Die Wirkungsweise und der Aufbau der bevorzugten Ausführungsform der zugehörigen Vorrichtung ergeben sich aus der Zeichnung.
Das staubförmige Gut wird bei 1 aufgegeben und von dem rotierenden Schleuderteller 2 schleierartig in den nach oben ziehenden Gasstrom eingestreut. Falls, wie in der Zeichnung dargestellt, dieser Schleuderteller einen beträchtlichen Teil des Schachtquerschnittes einnimmt, so müssen die Gase an dem Rand des Schleudertellers vorbei mit erhöhter Geschwindigkeit fließen. Ein großer Teil des frischen Gutes wird daher von ihnen nach oben mitgenommen. Ist der Schleuderteller 2 kleiner ausgebildet, so wird ein entsprechend kleinerer Teil des Gutes von den Gasen nach oben entführt. Das Gas und das mitgeführte Gut gelangen in die dahintergeschalteten Zyklone 3. Hier werden Gut und Gas in bekannter Weise voneinander getrennt. Die Gase werden durch das Gebläse 14 abgesaugt, während das wiedergewonnene Gut durch die Schurren 4 in den obersten Teilschacht zurückgeführt wird, und zwar auf einen zweiten Schleuderteller 5, der unterhalb des Schleudertellers 2 angeordnet ist.
Dieser zweite Schleuderteller 5 hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als der Schleuderteller 2, so daß die Gase an ihm vorbei etwas langsam fließen. Dicht unterhalb des Schleudertellers 5 wird durch die Rohrleitung 7 mit sehr hoher Geschwindigkeit ein kleiner Gasstrom tangential eingeblasen. Im Bereich des Schleudertellers 5 herrscht daher eine lebhafte rotierende Bewegung der Gase, die das Gut, und zwar sowohl das ein zweites Mal aufgegebene als auch das von Schleuderteller 2 nach unten gelangte, vorzugsweise an den Rand des Teilschachtes 6 führen, wo es, wie oben beschrieben, in Spiralen nach unten rieselt.
Über den eingezogen unteren Rand des Schachtes 6 gelangt das Gut in den darunter angeordneten Teilschacht B. Dabei übernimmt der eingezogene Rand die Aufgabe der Schleuderteller 2 und 5, d. h., das Gut wird über diesen Rand in den Gasstrom eingestreut, der in dem Teilschacht 8 rotiert. Es entsteht auch hier eine Durchwirbelung von Gas und Gut und damit ein wirksamer Wärmeaustausch. Die rotierende Bewegung der Gase in dem Teilschacht 8 wird durch eine oder mehrere tangential einmündende Rohrleitung 9 bewirkt, durch die ebenfalls eine geringe Gasmenge mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen wird.
Infolge der Rotationsbewegung der Gase sammelt sich das Gut bald wieder in der Randschicht und gleitet langsam nach unten dem nächsten Teilschacht 10 zu, wo sich der Vorgang wiederholt. Die Rotationsbewegung der Gase wird hier durch die Rohrleitung 11 bewirkt. Das in den Teilschächten immer höher erwärmte Gut gelangt schließlich in den dahintergeschalteten Drehrohrofen 12, in dem das Gut fertigbehandelt, z. B. gebrannt wird. Die Abgase des Drehrohrofens dienen zur Vorbehandlung, d. h. zur Erwärmung des Gutes in der vorbesehriebenen Einrichtung. Die Anzahl der Teilschächte kann selbstverständlich beliebig gewählt werden: Diejenige Gasmenge, die über die Leitungen 7, 9, 11 der Erzeugung der Rotationsbewegung in den Teilschächten dient, kann mit Hilfe eines Gebläses 13 unter Druck gesetzt werden. Das Gebläse 13 wird durch die Rohrleitung 15, die an das Gebläse 14 angeschlossen ist, mit Abgas aus der beschriebenen Anlage gespeist.
Statt zur Erzeugung der Rotationsbewegung der Gase einen Abgasstrom zu verwenden, der den Abgasen der Gesamtanlage entnommen wird, kann selbstverständlich auch ein beliebiges anderes Gas benutzt werden. So kann man z. B. auch für jeden Teilschacht ein . besonderes Gebläse anordnen, welches Gas aus demselben Teilschacht entnimmt, es unter Druck setzt und in den Teilschacht wieder zurückleitet. Auch kann jede andere bekannte Vorrichtung zur Erzielung der Rotationsbewegung benutzt werden. Für die Wärmewirtschaft der Anlage hat im übrigen die Reparatur der die Rotationsbewegung hervorrufenden durch die Leitungen 7, 9, 11 eingeführten Gasströme keine Bedeutung, da diese Gasströme mengenmäßig- nur einen geringen Prozentsatz des Hauptgasstroms ausmachen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen staubförmigem Gut und Gas, in der Schwebe, insbesondere zur Vorbehandlung von Zementrohgut mit den Abgasen des nachgeschalteten Fertigbrennofens, in einem im wesentlichen zylindrischen Schacht, dem das Gut oben aufgegeben, und nach der Wärmebehandlung unten abgezogen wird, während das Gas unten axial in den Schacht ein- und oben axial aus dem Schacht abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teilstrom von dem Hauptgasstrom abgezweigt und mit so hoher Geschwindigkeit tangential in den Schacht eingeblasen wird, daß Gut und Gas in eine rotierende Bewegung versetzt und das Gut ähnlich wie bei einem Zyklon nach außen gegen die Wand des Schachtes gedrängt wird, wo es abwärts sinkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom in der Nähe der Wiedereinführungsstelle in den Schacht vom Hauptgasstrom abgezweigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Höhen je ein kleiner Teilstrom eingeblasen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Gasen aus dem Schacht hinausgetragene und außerhalb des Schachts abgeschiedene Gut wieder in den Schacht zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut fein verteilt dem Gasstrom zugesetzt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Schacht, der aus mehreren übereinanderliegenden Abschnitten besteht, deren jeder sich nach unten verjüngt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Abschnitte nach oben zu abnimmt. B.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Schleuderteller (2, 5) unterhalb der Gutzufuhrrohre.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite des Abgasgebläses (14) über eine Leitung (15) und gegebenenfalls ein weiteres Gebläse (13) mit den für die Erzeugung des Dralls bestimmten Leitungen (7, 9, 11) verbunden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 446 029, 474 727, 551918, 616 201, 707 062, 910 633, 971232, 1. 019 604; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1705 093; schweizerische Patentschrift Nr. 261896; USA.-Patentschrift Nr. 1528 995; französische Patentschriften Nr. 979 096, 1048324.