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Vorrichtung zum Erhitzen von feinkörnigem Gut, insbesondere von Zementrohmehl
Die Erhitzung von feinkörnigem, insbesondere staubförmigem Gut wie Zementrobmehl,
im Gegenstrom, bei direktem Kontakt zwischen dem Heißgas und dem Gut, ist wegen
der geringen Größe der einzelnen Gutteilchen sehr schwierig. Zur Lösung dieses Problems
ist eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden.
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So gibt man z. B. das zu erhitzende feinkörnige Gut am unteren Ende
eines vertikalen Rohres auf, das von unten nach oben von Heißgasen mit relativ hoher
Geschwindigkeit durchströmt wird und tangential in einen Zyklon mündet. Das Gut
wird in feinverteilter Form vom Gasstrom mitgerissen und im Zyklon in der üblichen
Weise wieder vom Gas getrennt. Der Zyklon dient also der Trennung von Gas und Gut.
Die Erhitzung des Gutes erfolgt in dieser Anordnung im Gleichstrom. Erst durch die
Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Systeme läßt sich für das Gesamtsystem
eine angenäherte Gegenstromcharakteristik erzielen.
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Außerdem ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einem in mehreren Stufen
erweiterten Schacht besteht, der über eine kegelige Verjüngung mit dem Gasaustritt
eines Drehofens verbunden ist. Das heiße Ofengas wird an der unteren Spitze des
Schachtes eingeleitet, während das zu erhitzende Gut in der obersten Schachtstufe
durch Streuteller aufgegeben wird. Unterhalb der Streuteller und jeweils am größten
Durchmesser der darunterliegenden Schachterweiterungen sind tangential Rohre eingeführt,
durch die Teilmengen des am oberen Ende der Vorrichtung mit einer Temperatur von
etwa 300 bis 350° C abgezogenen kühleren Ofenabgases wieder mit hoher Geschwindigkeit
in das System eingeblasen werden. Diese Hilfsgasströme sollen das von unten nach
oben durch die Vorrichtung strömende heiße Ofengas in dem Schacht in eine kreisende
Bewegung versetzen. Hierdurch soll das zu erhitzende Gut jeweils in den Schachtstufen
infolge der durch die Rotation bewirkten Fliehkräfte an die Wandung geschleudert
werden. Die Menge der Hilfsgase muß beträchtlich sein, um vor allem in der großen
untersten Schachtstufe eine kreisende Gasbewegung mit ausreichender Drehgeschwindigkeit
zu erzeugen. Das an die Wandungen auszuschleudernde Gut muß diesen schon abgekühlten
Hilfsgasstrom durchqueren, wobei es sich jeweils wieder abkühlt. Außerdem werden
die heißen Ofengase durch die eingeblasene Hilfsgasmenge ebenfalls abgekühlt, so
daß für die Erhitzung des Gutes nicht die Ofengase mit ihrer hohen Eintrittstemperatur
(etwa 1000° C) wirksam werden, sondern nur Gase mit einer dem Mengenverhältnis Ofengas
zu Hilfsgas entsprechend niedrigeren Mischtemperatur. Daher ist es vor allem im
Bereich der untersten Schachtstufe wegen des dort notwendigerweise größeren Hilfsgasstromes
nicht möglich, das Gut nahezu auf die Eintrittstemperatur der Ofengase zu erhitzen,
wie es bei einem echten Gegenstromwärmeaustausch der Fall sein müßte. Ein weiterer
Nachteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß der Austrag des erhitzten Gutes und
die Einleitung der heißen Ofengase durch die gleiche Öffnung erfolgt. An dieser
Stelle führt das Ofengas noch keine kreisende Bewegung aus, so daß das an der Zyklonwandung
herunterrutschende Gut aufgewirbelt wird und erhebliche Gutmengen vom Ofengasstrom
wieder in den Schacht zurücktransportiert werden. Hierdurch entstehen unkontrollierte
Kreisläufe des Gutes innerhalb des Wärmetauschersystems, so daß ein ordnungsgemäßer
Betrieb nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die einen Wärmeaustausch von feinkörnigem Gut weitgehend im Gegenstroh - bei direktem
Kontakt von Heißgas und Gut -ermöglicht. Ausgegangen wird hierbei von einer Vorrichtung
zum Erhitzen von feinkörnigem Gut, insbesondere Zementrohmehl, mit heißem Ofenabgas,
bestehend aus einem Zyklon mit tangentialem Ofengaseinlaß im oberen Zyklonbereich
und einem zentrischen Gasabzugsrohr, dessen Durchmesser reit Abstand geringer ist
als der größte Zyklondurchmesser.
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Hierbei wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gasabzugsrohr des
Zyklons mit einer Einrichtung zum Aufgeben des zu erhitzenden Gutes zur Innenwandung
des Gasabzugsrohres in Verbindung steht. Von der noch im Gasabzugsrohr kreisenden
Gasströmung an der Rohrwandung gehalten, rutscht das aufgegebene Gut nach unten
in den Zyklon. Auf diesem Weg wird schon eine Vorwärmung des Aufgabegutes bewirkt.
An
der Mündung des Gasabzugsrohres im Zyklon löst sich das Gut von der Kante, wird
von der im Zyklon stark kreisenden heißen Gasströmung erfaßt und durchquert infolge
der Fliehkräfte freischwebend die gesamte Heißgasmenge bis zur Zyklonwandung. Der
Vorteil der Beschickung des Zyklons durch das Gasabzugsrohr liegt darin, daß das
aufgegebene Gut im Zyklon zwangweise den gesamten Heißgasstrom durchqueren muß.
Im Zyklon rutscht das Gut nach unten, so daß es an der Spitze des Zyklons abgezogen
und der Verwendungsstelle, beispielsweise einem Drehofen, zugeführt werden kann.
Bei der freischwebenden Bewegung durch die Gasströmung im Zyklon wird jedes Gutteilchen
von immer heißeren Ofengasen vollständig umspült, so daß eine Erhitzung des Gutes
bis nahezu auf die Gaseintrittstemperatur erfolgt. Dadurch, daß im Zyklon der Gaseinlaß
von der Gutaustragsöffnung getrennt ist und im Bereich des Gaseinlasses die auf
die Gutteilchen wirkenden Fliehkräfte am stärksten sind, können die Gutteilchen
nicht wieder von der Gasströmung in das Gasabzugsrohr mitgerissen werden. Hierdurch
werden in vorteilhafter Weise Materialkreisläufe innerhalb des Systems vermieden.
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Es sind zwar Vorrichtungen bekannt, die aus einem zylindrischen Schacht
bestehen, aus dem das Heißgas am oberen Schachtende durch ein zentrisch angeordnetes
Gasabzugsrohr von geringerem Durchmesser abgezogen wird und das zu erhitzende Gut
durch senkrecht nach unten weisende oder in Drehrichtung der Heißgase schräggestellt
Öffnungen aufgegeben bzw. mit Luft vermischt eingeblasen wird. Diese Aufgabeöffnungen
sind aber jeweils am Außendurchmesser des Gasabzugsrohres angeordnet. Die Heißgaszuführung
erfolgt tangential am unteren Schachtende. Durch die im Schacht aufwärts kreisende
Gasströmung soll das Gut erfaßt und infolge der Fliehkräfte an die Schachtwandung
geschleudert werden, an der es unter der Einwirkung der Schwerkraft nach unten rutscht.
Hierbei hat das Gut lediglich Kontakt mit den an der Schachtwandung entlangströmenden
Gasen, während die im Schachtinneren rotierenden Gasmengen infolge eines fehlenden
Kontaktes mit dem zu erhitzenden Gut ungenutzt in das Gasabzugsrohr einströmen.
Trotz der augenscheinlichen Gegenbewegung von Gas und feinkörnigem Gut ist es daher
nicht möglich, den Wärmeinhalt der Heißgase in einem Maß auf das feinkörnige Gut
zu übertragen, wie das beim Wärmeaustausch im Gegenstrom der Fall sein müßte.
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Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, die Aufgabeeinrichtung
vorzugsweise so auszubilden, daß sie im gleichen Drehsinn wie das aufwärts strömende
Gas in das obere Ende des Gasabzugsrohres mündet und zweckmäßigerweise in eine zyklonartige
Erweiterung ausläuft. In diese Erweiterung mündet tangential, mit einer oder mehreren
Zuführungsöffnungen eine Trägergasleitung für das zu erhitzende Gut. Durch diese
Anordnung wird vorteilhaft schon an der Aufgabestelle eine sichere Führung des Gutes
im heißen Gegenstrom erzielt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
dem weitere Merkmale der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigt F i g. 1 eine Vorrichtung
zum Erhitzen von feinkörnigem Gut im Gegenstrom, teilweise im Schnitt, und F i g.
2 einen vergrößerten Schnitt nach der Linie II-II in F i g. 1. An das obere Einlaufende
eines Drehrohrofens 1 und gegenüber diesem in geeigneter Weise abgedichtet ist eine
Abgasleitung 2 angeschlossen. Sie verbindet den Drehrohrofen mit einem Zyklon 3,
dessen Staubaustragrohr 4 in den Drehrohrofen führt. Vorteilhaft ist von dem Staubaustragrohr
4 ein unten in die Abgasleitung 2 mündendes Rohr 5 abgezweigt und an der Abzweigestelle
eine von außen in ihrer Neigung verstellbare Verteilklappe 6 angeordnet. In die
Gasaustrittsöffnung des Zyklons 3 mündet von oben her vertikal ein zylindrisches
Gasabzugsrohr 7, das seinerseits am oberen Ende kegelförmig zu einem Zyklon 8 erweitert
ist. Die Abgasleitung 9 dieses Zyklons führt zu einem Entstaubungszyklon 10 und
dessen Abgasleitung 11 über ein Gebläse 12 zu einem Elektrofilter
13.
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Von der Abgasleitung 9 ist vorteilhaft eine Leitung 14 abgezweigt,
die mit der Saugseite eines Gebläses 15 in Verbindung steht. An die Druckseite dieses
Gebläses schließt sich eine Gasleitung 16 an, die ihrerseits vorteilhaft so in den
Zyklon 8 mündet, daß das aus der Leitung 16 ankommende Gas in mehrere gleich große
Teilströme unterteilt wird und diese an mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten
Stellen tangential in den Zyklon 8 eintreten. Zu diesem Zweck ist der Zyklon 8,
wie in F i g. 2 dargestellt, beispielsweise mit drei um 120° versetzten Öffnungen
18, 19, 20 versehen und die Leitung 16 so geführt, daß ihre Innenwand 21 - in der
Strömungsrichtung des Gases gesehen - tangential an der vorderen Kante der Öffnung
18 und ihre Außenwand 22 tangential an der hinteren Kante der öffnung 20 endet.
Ferner sind in der Abgasleitung zwei Leitbleche 23 und 24 vorgesehen, welche
sich ihrerseits tangential an die hinteren Kanten der öffnungen 18 und 19 anschließen
und diese mit einem solchen Abstand überdecken, daß jeder öffnung ein Drittei der
Gasmenge zugeführt wird.
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In die Gasleitung 16 mündet unten ein Rohr 25. An dieses ist über
ein Zellenrad 26 ein Aufgaberichter 27 für das zu erhitzende Gut angeschlossen.
Vorteilhaft ist ferner das Staubaustragrohr 28 des Zyklons 10 so geführt,
daß es in dem Rohr 25 endet. Das Staubaustragrohr 28 ist zweckmäßig kurz
unterhalb des Zyklons 10 unterbrochen und hier schräg abgeschnitten. An die schräge
Schnittfläche legt sich eine Pendelklappe 29 an, die durch ein Gewicht 30 im Schließsinn
belastet ist. Das Gewicht wird so bemessen, daß sich das im Zyklon 10 niedergeschlagene
Gut bis zu einer gewissen Höhe auf der Klappe anstaut. Hierdurch ist ein guter Materialabschluß
gegen den Durchtritt von Gas durch das Staubaustragrohr gegeben. Die Klappe öffnet
erst, wenn das Gewicht des angestauten Gutes das Schließmoment überwindet. Von diesem
Zeitpunkt an fließt über den Rand der Klappe jeweils die gleiche Gutsmenge ab wie
dem Rohr 28 aus dem Zyklon 10 zuläuft. Eine entsprechende Pendelklappe
31 ist auch in dem Staubaustragrohr 4 des Zyklons 3 vorhanden.
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Im Betrieb wird mittels des Gebläses 12 das Abgas des Drehrohrofens
1 durch die Leitung 2 in den Zyklon 3 gesaugt, und zwar so, daß es mit einer hohen
Geschwindigkeit von z. B. 20 m/sec in diesen eintritt. In dem Zyklon wird das Gas
in eine - beispielsweise im Uhrzeigersinn - kreisende Bewegung versetzt. Es gelangt
dann in das zylindrische Gasabzugsrohr 7, in dem es seine kreisende Bewegung beibehält
und schraubenförmig derart nach oben strömt, daß die
waagerechte
Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit erheblich größer als die Axialkomponente
ist. Die Größen der Geschwindigk eitskomponenten hängen ab von dem spezifischen
Gewicht und der Korngröße des jeweils zu erhitzenden Gutes und betragen bei Zementrohmehl
zweckmäßig in waagerechter Richtung etwa 20 m/sec und in senkrechter Richtung höchstens
etwa 4 m/sec.
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Aus dem Gasabzugsrohr 7 gelangt das Ofenabgas immer noch kreisend
in den Zyklon 8 und zieht aus diesem durch die Leitung 9 ab. Ein Teil des Abgases
wird mittels des Gebläses 15 aus der Leitung 9 durch die Leitung 14 abgesaugt und
durch die Leitung 16 dem Zyklon 8 wieder zugeführt. Gleichzeitig wird aus dem Trichter
27 über das Zellenrad 26 und das Rohr 25 Zementrohmehl in die Leitung 16 eingespeist.
Das Zementrohmehl wird beim Eintritt in die Leitung 16 von dem Gas, das diese durchströmt,
erfaßt und in der Schwebe mit ihm in den Zyklon 8 getragen.
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Dieses Gas dient somit als Hilfsgas für die Einführung des Zementrohmehls
in den Zyklon B. Wie man aus Fig.2 sieht, gelangtdas mit demZementrohmehl beladene
Hilfsgas so durch die Öffnungen 18, 19, 20 in den Zyklon 8, daß ihm in diesem ebenfalls
eine im Uhrzeigersinn kreisende Bewegung aufgezwungen wird. Das Hilfsgas durchströmt
den Zyklon zunächst schraubenförmig kreisend nach unten und wird dann, unterstützt
von dem im gleichen Drehsinn aus dem Gasabzugsrohr 7 aufsteigenden Ofenabgas, nach
oben umgelenkt und zusammen mit ihm durch die Leitung 9 abgeführt.
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In dem Zyklon 8 wird das Zementrohmehl unter der Einwirkung der Fliehkraft,
die ihm von dem kreisenden Hilfsgasstrom mitgeteilt wird, nach außen getrieben.
Es rutscht dann, unterstützt von dem abwärts kreisenden Hilfsgasstrom, auf der Innenwand
des Zyklons nach unten. Dabei ist durch die Einführung des mit dem Zementrohmehl
beladenen Hilfsgasstromes in mehreren gleich großen Teilströmen an mehreren gleichmäßig
über den Umfang des Zyklons verteilten Stellen vorteilhaft dafür gesorgt, daß sich
das Zernentrohmehl in einer gleich dicken Schicht auf der Innenwand des Zyklons
ausbreitet und demgemäß gleichmäßig über den Umfang des Zyklonauslasses verteilt
in das Gasabzugsrohr 7 gelangt.
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In dem Gasabzugsrohr 7 wird das Zementrohmehl ständig von dem heißen
Ofengas, das dieses schraubenförmig aufwärts kreisend durchströmt, erfaßt und dann
unter der Einwirkung der Fliehkräfte, die dabei auf jedes einzelne Rohmehlteilchen
wirken, an die Innenwand des Schachtes getrieben. Auf diese Weise entsteht an der
Innenwand des Schachtes eine aerosolartige, sehr feine Verteilung des Zementrohmehls,
wobei die Rohmehlteilchen ihrerseits eine wirbelnde Bewegung ausführen und sich
gleichzeitig auf Grund der Schwerkraft langsam abwärts bewegen. Hierbei kommt die
Mehrzahl der Rohmehlteilchen in Berührung mit dem heißen Gas, so daß hier schon
ein Wärmeaustausch stattfindet. Da außerdem das Zementrohmehl auf dem Weg durch
das Gasabzugsrohr 7 mit fortschreitender Erhitzung von immer heißerem Gas umspült
wird, ist eine stetige weitere Erhitzung des Zementrohmehls sichergestellt. Je länger
nun das Gasabzugsrohr 7 bemessen ist und je langsamer das Zementrohmehl dieses durchwandert,
um so höher ist die Temperatur, auf die das Zementrohmehl bis zum Austritt aus dem
Gasabzugsrohr 7 gebracht werden kann. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann es
zweckmäßig sein, an der Innenseite des Gasabzugsrohres 7 Hindernisse vorzusehen,
durch welche das Zementrohmehl in seiner Abwärtsbewegung verzögert wird. Hierfür
können beispielsweise an der Innenwand des Rohres ringförmige oder spiralige Vorsprünge
33 vorgesehen werden. Aus baulichen Gründen läßt sich die Länge des Gasabzugsrohres
7 nicht beliebig vergrößern. Die bei normalen Bauhöhen im Gasabzugsrohr 7 erzielte
Vorerhitzung des Gutes ist jedoch schon recht gut. Das so schon infolge der gleichmäßigen
Verteilung auf der Innenwand des Abzugsrohres 7 vorerhitzte Zementrohmehl tritt
an der Mündung des Gasabzugsrohres 7 im Zyklon 3 in der Form eines feinen Staubschleiers
aus und wird von dem Gas erfaßt, das dem Zyklon 3 aus der Leitung 2 zugeführt wird.
Infolge der hohen Geschwindigkeit von etwa 20 m/sec, mit der dieses Gas den Zyklon
horizontal kreisend durchströmt, und der hohen Fliehkräfte, die dadurch auf das
Zementrohmehl wirken, wird dieses von der Gasaustrittsöffnung weg an die Zyklonwand
getrieben. Hierbei durchquert die ganze Gutmenge in feinverteilter Form völlig freischwebend
den ganzen Heißgasstrom, so daß jedes Gutteilchen vom Heißgas innig umspült und
erhitzt wird. Dabei gelangt das einzelne Gutteilchen in immer heißere Bereiche des
Gasstromes, so daß es trotz der kurzen Verweilzeit unter sehr starkem Temperaturanstieg
nahezu bis auf die Gaseintrittstemperatur erhitzt wird. Damit wird aber auch ein
weitgehend dem Gegenstromprinzip entsprechender Wärmeaustausch erzielt.
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Auf der Zykloninnenwand rutscht das Gut nach unten ab und wird dann
durch das Rohr 4 ausgetragen. In dem Rohr kann das Zementrohmehl mittels der Klappe
6 in zwei Teilströme aufgeteilt werden, von welchen der eine in den Drehrohofen
I weiterließt und der andere durch das abgezweigte Rohr 5 in die Leitung 2 geführt
wird. Dieser Teilstrom wird in der Schwebe mit dem aus dem Drehrohrofen mit einer
Temperatur von beispielsweise 1100 bis 1200° C kommenden Gas wieder in den
Zyklon 3 zurückgeführt und darin"zusammen mit dem Zementrohmehl aus dem Gasabzugsrohr
7 niedergeschlagen. Das Zementrohmehl durchläuft also nach seinem Austritt aus dem
Gasabzugsrohr 7 einen ständigen Kreislauf durch den Zyklon 3, das Rohr 5 und die
Abgasleitung 2. Dabei wird zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtzustandes jeweils
die gleiche Menge Zementrohmehl mittels der Klappe 6 aus dem Kreislauf abgetrennt
wie der Erhitzungsvorrichtung an frischem Rohgut aus dem Trichter 27 aufgegeben
wird. Durch Verstellen der Klappe hat man es in der Hand, das Verhältnis der im
Kreislauf geführten Rohmehlmenge zu der Aufgabemenge in weiten Grenzen zu regeln.
Im allgemeinen wird das Verhältnis etwa gleich 1 gewählt werden; es kann jedoch
auch größer oder kleiner als 1 sein und beispielsweise 0,5 oder 2 betragen.
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Durch die beschriebene Kreislaufführung wird das Zementrohmehl in
der Leitung 2 wiederholt mit dem vom Drehrohrofen kommenden und demgemäß heißesten
Abgas in Berührung gebracht. Da das Zementrohmehl bereits beim Eintritt in die Leitung
2 sehr hoch erhitzt ist, kommt die fühlbare Wärme des heißesten Ofengases in der
Leitung 2 vor allem der Entsäuerung des Rohmehles zugute, wobei die Temperatur des
Ofengases auf etwa 800° C sinkt. Bei jedem Durchgang durch die Leitung 2 wird daher
eine
beträchtliche Menge Kohlensäure aus dem Zementrohmehl ausgetrieben.
Für seine vollständige Entsäuerung braucht deshalb in dem Drehrohrofen selbst nur
eine entsprechend geringere Wärmemenge aufgebracht zu werden, so daß in der Zeiteinheit
bei gleichem Wärmeaufwand eine größere Menge Zementrohmehl durch den Drehrohrofen
durchgesetzt werden kann als es sonst möglich wäre.
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Das oben aus dem Gasabzugsrohr 7 austretende und durch die Leitung
9 abziehende Ofenabgas wird, soweit es nicht als Hilfsgas für die Einführung des
Zementrohmehls im Kreislauf durch die Leitungen 14 und 16, den Zyklon 8 und die
Leitung 9 umgewälzt wird, dem Entstaubungszyklon 10 zugeführt. Das Abgas verläßt
diesen Zyklon durch die Leitung 11 und gelangt aus ihr zwecks Nachreinigung
über das Gebläse 12 in das Elektrofilter 13, aus dem das gereinigte Gas ins Freie
abgestoßen wird.
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Der in dem Zyklon 10 abgeschiedene Staub gelangt durch das
Rohr 28 in das Rohr 25 und wird durch dieses zusammen mit dem frischen Zementrohmehl
aus dem Trichter 27 in die Gasleitung 16 eingebracht. Es ist auch möglich, den Staub
durch eine entsprechende Leitung ummittelbar dem Drehrohrofen oder der zum Zyklon
3 führenden Leitung 2 aufzugeben. Auch der Staub, der in dem Elektrofilter anfällt,
kann entweder mit dem frischen Zementrohmehl in die Leitung 16 oder direkt in den
Drehrohrofen oder in die Leitung 2 eingebracht werden.
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Wenn in dem aus dem Gasabzugsrohr 7 austretenden Gas nur geringe Staubmengen
enthalten sind, kann der Zyklon 10 wegfallen und die Leitung 9 unmittelbar an das
Gebläse 12 angeschlossen werden. Weiterhin kann die Leitung 14 weggelassen und als
Hilfsgas in die Einführung des Rohmehles in den Zyklon 8 Luft verwendet werden,
die mittels des Gebläses 15 aus der Atmosphäre angesaugt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für die Erhitzung von
Zementrohmehl oder ähnlichen Stoffen geeignet, sondern ganz allgemein dort am Platz,
wo feinkörnige feste Stoffe durch direkten Wärmeaustausch mit einem heißen Gas behandelt
werden sollen.