NO125939B - - Google Patents

Description

Varmegjenvinning ved fluidiseringsprosesser.

Oppfinnelsen angår generelt prosesser

hvor findelt fast gods bringes i kontakt med gasser i henhold til den såkalte fluidi-seringsteknikk. Mer spesielt gjelder oppfinnelsen måter og midler til mer effektivt

å utnytte den varme som tilføres eller frembringes under slike prosesser, og derved redusere brenselbehovet og bidra til at driften med større tilnærmelse vedlikehol-der seg selv.

Det er derfor en hensikt med oppfinnelsen å skaffe et varmegjenvinningssy-stem hvor der som varmeførende medium anvendes en inngrenset, konstant sirkulerende mengde av damp, f. eks. mettet vanndamp, under trykk, hvorfra der på økono-misk måte uttas varme ved kondensasjon i varmeoverførende relasjon til innmatet fast gods for å forvarme dette med latent fordampningsvarme.

På tegningen er en utførelsesform av oppfinnelsen vist i snitt med enkelte deler av utrustningen for tydelighets skyld vist i oppriss eller perspektiv.

Reaktoren R i den viste utførelsesform

omfatter en vertikal kapsel 11 med en yt-tervegg 12 av stål foret med ildfast mate-riale 13. Reaktoren er lukket i bunden med et konisk bundstykke 14 utrustet med en egnet tømmeventil 16, og i toppen med en dekkplate 17.

Reaktoren er ved tverrsgående skillevegger 18, 19, 21, 22, 23 og 24 delt i flere over hinannen liggende avdelinger. Blant de nevnte skillevegger er 18, 19, 21 23 og 24

gassgjennomtrengelige og vil bli beteg-net som strupningsplater, idet fluidiser-

ende gass strømmer gjennom egnede pas-sasjer 26 i strupningsplatene og disse un-derstøtter fluidiserte skikt 27, 28, 29, 31 og 32 bestemt for reaksjon. Den tverrsgående skillevegg 22 består av en plate som er ugjennomtrengelig for gass og inngår i en anordning til å forhindre støvførende gasser som kommer ut av skiktet 31, fra å gå inn i skiktet 29, som det vil bli beskrevet nærmere senere.

Findelt fast gods blir via en ledning 33 med ventil tilført reaktoren i det øverste skikt 27, hvorfra det løper over gjennom en overføringsledning 34 til det neste underliggende skikt 28. Overføringsledningen 34 er forsynt med en egnet kjegleventil 36 som tjener til å tillate partikkelstrømning og samtidig mest mulig å redusere oppadgå-ende gasstrømning gjennom ledningen 34. Fra skiktet 28 løper fast gods over gjennom en annen overføringsledning 37 til et ytterligere underliggende skikt 29, og også denne ledning 37 har en kjegleventil 38. Fra skiktet 29 blir godset gjennom en over-føringsledning 39 (med kjegleventil 41) ført videre til det neste underliggende skikt 31, hvorfra det så gjennom enda en over-føringsledning 42 (med ventil 43) blir over-ført til et sluttskikt 32, hvor partiklene av-kjøles, og hvorfra de sluttelig avgis gjennom en vanlig utløpsledning 44 men ventil.

Det koniske bundstykke 14 og den nedre tverrsgående skillevegg 24 danner til-sammen et trykkgassrom eller en vindkasse 46. Fluidiserings- og/eller behandlingsgas-ser tilføres reaktoren gjennom ventilledningen 16 som avgir gassen til vindkassen 46, og fra denne strømmer de opp gjennom j reaktorens forskjellige avdelinger etter tur' for sluttelig å strømme ut gjennom ledningen 47 til en støvutskiller 48 hvor med- ! revne faste partikler blir skilt fra gassen. De for faste partikler befridde gasser avgis gjennom ledningen 49, mens de fraskilte] partikler avgis gjennom en nedadgående avløpsledning 50 til andre prosesser eller til et nedenforliggende skikt i reaktoren gjennom ventilledningen 51 med luftedyse 51'.

Som vist på tegningen er den massive tverrplate 22 anbragt i slik avstand under strupningsplaten 21 at den inngrenser en annen vindkasse 52, så støvførende gasser som avgis fra et fritt rom 53 over skiktet 31, blir omledet idet de ledes ut gjennom en ledning 54 til en støvutskiller 56, hvor medrevne faste partikler blir fjernet før gassene via en ledning 57 kommer inn i vindkassen 52 for så å føres videre gjennom de øvrige kammere i reaktoren. Dette er et viktig trinn i visse prosesser, f. eks. jernmalmreduksjon, som utføres overens-stemmende med den viste utførelsesform, fordi skiktet 31 ved en slik prosess er et reaksjonsskikt hvor fast jernmalm blir redusert. Følgelig vil faste partikler som forlater dette skikt ved å rives med i gasstrømmen, være ferdigreagerte partikler som bør fjer-nes som produkt fra prosessen isteden for å underkastes oksyderende betingelser i det overliggende skikt 29.

Fast gods som oppsamles i støvutskille-ren 56, kan avgis direkte som produkt gjennom den med ventil forsynte avgangsled-ning 58 eller overføres gjennom ventilledningen 59 med luftedyse 61 til kjøleskiktet 32 for gjenvinning av følbar varme på den måte som vil bli beskrevet nedenfor.

Til gjenvinning og utnyttelse av varme i henhold til den foreliggende oppfinnelse tjener kveiler 62 og 63 som er anordnet i henholdvis det øverste og det nederste skikt og innbyrdes forbundet ved et lednings-system som vil bli beskrevet mer fullstendig senere. Reaktoren ifølge den viste utførel-sesform er som ovenfor nevnt innrettet for utførelse av den endotermiske reduksjon ferrioksyd til ferroso-ferrioksyd, idet fast gods som skal reduseres, kommer inn i en eller flere øvre eller forbehandlingsskikt (27 og 28) hvorfra de blir overført til et mellomskikt 29 hvor der opptrer forbrenning av brennbare bestanddeler i fluidiser-ingsgassen, så godset blir opphetet til en reduserende temperatur, vanligvis over 500° C. Oppvarmet gods blir så overført til et lavereliggende skikt 31 hvor det blir redusert ved virkningen av reduserende bestanddeler i den innkommende fluidiser-ende gass som har den forlangte reduserende evne, og redusert gods blir avgitt som produkt fra prosessen. I en slik prosess tjener varme gasser som stiger opp fra for-brenningssonen, til å forvarme innkommende gods i det øverste skikt, mens de kolde innkommende gasser selv til en viss grad blir forvarmet ved kontakt med ferdig redusert gods i et godskjølingsskikt 32 som følger etter reduksjonsskiktet.

Skjønt den ovenfor beskrevne eldre flertrinnsprosess medfører en viss gjenvinning av følbar varme ved motstrøm av gass og fast gods, går der stadig en anselig mengde av følbar varme tapt i det faste produkt som avgis fra systemet, da den innkommende gass bare kan oppfange en mindre del av denne varme.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse blir en stor prosentdel av slik følbar varme som tidligere gikk til spille, gjen-vunnet i anvendelig form ved de nye skritt at følbar varme fra det nevnte faste produkt opptas ved hjelp av rør kveiler for derved å frembringe mettet vanndamp eller annen damp under trykk, hvorpå denne damp blir ledet gjennom rørkveiler, i det øverste skikt, anbragt i kontakt med koldt innkommende matningsgods, som takket være sin lavere temperatur bevirker kondensasjon av dampen og dermed frigjørelse av bunden fordampningsvarme. Således blir en betraktelig varmemengde frigjort i forvarmningsskiktet bare med et lite temperaturfall i dampen.

Som vist på tegningen dannes et var-meførende system med konstant sirkulasjon ved kombinasjonen av de innbyrdes, forbundne kveiler 62 og 63 og reservoaret 64, som det er hensiktsmessig å anvende som reservoar for vanndamp og kondensat. Vann fra reservoaret 64,. hvor vannspeilet avføles ved hjelp av en egnet vannstands-viser 66, strømmer ned gjennom kondensatledningen 67 for å tre inn i den nedre spole 63 i kjøleskiktet 32 for fluidisert fast gods. Gods som kommer inn i dette skikt,, blir således avgitt direkte fra reduksjonsskiktet 31 og befinner seg i tilfellet av en jernmalm-reduksjonsprosess på en temperatur av tilnærmelsesvis 650° C. I skiktet 32 opptar kveilene tilstrekkelig meget føl-bar varme fra godset til at kondensatet i

dem blir omdannet til mettet trykkdamp,

som via en ledning 68 strømmer gjennom utløpssylinderen 69 i reservoaret 64, hvorfra den gjennom ledningen 71 når de øvre kveiler 62, som står i kontakt med det rela-tivt kolde skikt 27 av innkommende fast gods. Dette bevirker et temperaturfall med derav følgende kondensasjon av damp og

frigjørelse av latent fordampningsvarme. Følgen er at en stor varmemengde blir frigjort ved et forholdsvis lite temperaturfall, og der således er skaffet en ytterst effektiv metode til å levere varme til det innkommende gods i forvarmningsskiktet 27. Kondensat fra kveilen 62 avgis, stadig under trykk, gjennom ledningen 72, for igjen å komme inn i kondensatledningen 67 for fornyet sirkulasjon gjennom den nedre kveil 63, hvor det igjen opptar følbar varme i tilstrekkelig mengde til å fordampe påny.

Regulert strømning av damp og kondensat i systemet sikres ved hjelp av en vanlig pumpe, skjematisk antydet ved 73. En egnet trykkavlastningsventil 74 og tap-peventiler 76 er anordnet for å benyttes på vanlig måte. En ledning med ventil 77 er anordnet for å tillate tilsetning av til-skuddsvann for å kompensere vanntap fra systemet eller for å fylle systemet påny etter avtapping.

Under drift for reduksjon av jernmalm danner de øverste skikt 27 og 28 forvarmningsskikt for fast gods, mens mellomskiktet 29 danner et forbrenningskammer hvor gjenværende brennbare bestanddeler av reduksjonsgassen blir forbrennt, idet luft til å underholde denne forbrenning leveres ved hjelp av en fordeler 78 forsynt med til-førselsledninger med ventiler 79. Hvis det ønskes, kan ytterligere brensel innføres sammen med denne luft.

Skiktet 31 like under forbrenningsskik-tet 29 er et malmreduksjonsskikt hvor re-duksjonen av jernmalm fra hematitt til magnetitt blir utført. Redusert malm blir overført til kjøleskiktet 32, hvor den blir avkjølet ved den kombinerte virkning av de oppstigende gasstrømmer og av kveilene 63, hvoretter den avgis som ferdigbehand-let produkt.

Ved en typisk driftsmåte blir forbren-ningssonen drevet med en temperatur av 760° C, reduksjonssonen holdes på ca. 650° C og faststoff-kjøleskiktet 32 på ca. 427° C. Ved anvendelse av to forvarmningsskikt 27 og 28 og sirkulasjon av vanndamp og kondensat gjennom systemet med tilstrekkelig hastighet til å holde vanndamp med en temperatur av ca. 260° C under et trykk av 49 at. kan det øverste forvarmningsskikt holdes på en temperatur av ca. 115° C, noe som igjen setter det annet forvarmnings-kammer istand til å holdes på en temperatur av ca. 344° C. Selvsagt må godsgjen-nomgang, brenseltilførsel og dampsirkula-sjon reguleres på passende måte, men mengdene kan lett bestemmes ved enkle prøver i et hvilket som helst gitt system.

Som et eksempel på de besparelser som

oppnås ved anvendelse av den foreliggende oppfinnelse, skal velges en reaktor med fem avdelinger (som på tegningen) og med en innvendig diameter i forbrenningskammeret på 6,7 m, samt beregnet for å arbeide ved følgende temperaturer: (a) første forvarmningsskikt (dampkondensasjon) 27 på 115° C, (b) annet forvarmningsskikt 28 og 344° C, (c) forbrenningsskikt 29 på 760° C, (d) reduksjonsskikt 31 på 650° C og (e) godskjølingsskikt (damputvikling) 32 på 427° C.

Under anvendelse av metoden ifølge oppfinnelsen får en slik reaktor en kapasitet av 2160 tonn tørr innmatet jernmalm pr. dag og krever varmetilskudd i form av brensel levert til forbrenningskammeret på 196500 kg kal/tonn innmatet for å vedlike-holde en temperatur av 760° C i forbrenningskammeret, så der kan holdes et reduksjonsskikt på 650° C.

I den samme reaktor, men uten anvendelse av varmegjenvinningssystemet ifølge oppfinnelsen blir det nødvendig å tilsette 227 000 kg kal/tonn charge til forbren-ningsskiktet for å holde den ønskede temperatur av 650° C i reduksjonsskiktet.

Det er således klart at brenselbespar-elsen som opnås med oppfinnelsen, er be-tydelig, idet den er av størrelsesordenen 30 000 kg kal/tonn. Ennvidere vil den tid som kreves for behandlingen, i og med at malmen ved anvendelsen av oppfinnelsen blir mere effektivt forvarmet, også blir redusert, noe som fremgår av det foranstå-ende, hvoretter det er mulig ved anvendelse av oppfinnelsen å drive reaktoren med en kapasitet av 2 160 tonn (tørrstoff) pr. dag, mens den samme reaktor ellers får en kapasitet av bare 1 850 (tørrstoff) pr. dag. Således sparer man ved oppfinnelsen ikke bare ca. 14 % brensel, men øker også kapa-siteten i samme forhold og reduserer dermed ytterligere omkostningene pr. tonn be-handlet malm.

Skjønt oppfinnelsen her er beskrevet spesielt i forbindelse med endotermisk reduksjon av hematit til magnetit under anvendelse av tilsatt brensel som varmekilde, vil det forstås at den kan anvendes på andre endotermiske reaksjoner og også ved eksotermiske reaksjoner hvor reaksjonsvar-men i seg selv er utilstrekkelig til å vedlike-holde et eneste fluidisert skikt under drift. I det siste tilfelle ville man i tillegg til et reaksjonsskikt anvende både et forvarmningsskikt og et kjøleskikt. Slike ekstra skikt ville bli anordnet på hver sin side av reaksjonsskiktet, og kveiler i likhet med dem der er vist ved 62 og 63, ville bli anbragt i dem. Således ville innkommende fast gods bli forvarmet så man får redusert behovet for varme-enheter til å bringe godset opp til og holde det på reaksjonstemperatur i mellomskiktet.

Som tidligere omtalt gjør man ved oppfinnelsen bruk av store mengder av til-gjengelig varme for å forvarme den innkommende charge, men behøver bare et lite temperaturfall for å gjennomføre dette. Skjønt det nødvendige temperaturfall er lite, er det imidlertid høyst ønskelig at der foreligger en forholdsvis stor tem-peraturforskjell mellom godset som under-går forvarmning i skiktet, og den vanndamp eller annen damp som kommer inn i skiktet, idet dette sikrer rask kondensasjon av dampen og gjør det mulig å bruke forholdsvis store strømningsmengder. Det er også viktig at dampen og/eller kondensatet holdes inngrenset i sirkulasjon for å holde trykk og dermed høyere temperaturer i dampsystemet. Når det gjelder trykket, bør det bemerkes at hele systemet av kondensat og damp vil stå under omtrent det samme trykk hele tiden, så sirkulasjonen kan bevirkes med et minimum av kraft.

De nøyaktige trykk- og temperatur-verdier som anvendes i systemet, vil selvsagt avhenge av forhold som foreligger i vedkommende spesielle reaktor, men disse kan lett bestemmes empirisk av fagfolk, naturligvis under hensyntagen til at var-meoverføringskoeffisienten for de anvend-te materialer såvel som faststoff-gjennom-gangen og gjennomløpshastigheten av damp-kondensatstrømmen alle vil ha inn-flydelse på virkemåten.

Foruten den latente fordampningsvarme som frigjøres i gods-forvarmningsskiktet, vil der også forekomme endel overføring av følbar varme fra kondensat i kveilene 62 til godset. Imidlertid blir denne liten sam-menlignet med hovedvarmekilden, og man kan derfor se bort fra den i den foreliggende fremstilling.

I den foreliggende fremstilling med på-stander er uttrykket «varmeutviklingssone»

ment å bety en hvilken som helst sone hvor misk reaksjon eller ved forbrenning av til-der frembringes varme enten ved eksoter-satt brensel, mens betegnelsen «forbren-ningssone» skal betegne en sone hvor var-meutvikling udelukkende skyldes forbrenning av tilsatt brensel. Betegnelsen «reak-sjonssone» betyr en sone hvor den egent-lige reaksjon opptrer.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til forvarmning av fast gods i et fluidiseringssystem med en innledende fluidisert forvarmningssone, en mellomliggende fluidisert varmeutviklingssone til å motta og bevirke videre oppvarm-ning av godset og en etterfølgende fluidisert sone til kjøling av gods som mottas fra varmeutviklingssonen, karakterisert ved at følbar varme fra fast gods i kjølesonen benyttes til å fordampe en inngrenset, sirkulerende væske, og den fremkommende damp overføres til skiktet i forvarmningssonen hvor den forvarmer gods i inngangs-skiktet med frigjort fordampningsvarme ved at dampen kondenseres i dette skikt i varmeoverførende relasjon til fluidisert gods i skiktet.

2. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at den damp som ut-vikles fra den inngrensede sirkulerende væske i kjølesonen, holdes i sirkulasjon under trykk i en lukket krets, først som damp til forvarmningssonen og etter kondensasjon i denne tilbake til kjølesonen for fornyet fordampning og videre sirkulasjon i kretsen.

3. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at godset som tilføres forvarmningssonen, er findelt jernmalm, som blir redusert i varmeutviklingssonen.