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Kontinuierliches Verfahren und Vorrichtung für die Wärmebehandlung
feinverteilter fester Stoffe, insbesondere Eisenerzen, in mindestens drei Wirbelschichten
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Technik der Behandlung von festen Stoffen,
insbesondere Eisenerzen, in Wirbelschichtkammern und insbesondere auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung für die Temperaturregelung innerhalb derartiger Reaktionsgefäße
in Verbindung mit der Ausnutzung der in diese eingeführten oder darin erzeugten
Wärme.
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Bei Verfahren zur Behandlung von Eisenerz, wobei insbesondere seine
Ferrioxydbestandteile, reduziert oder in Magnetit umgewandelt werden, macht man
häufig von einem Mehretagenwirbelschichtofen Gebrauch. Bei einer derartigen Arbeitsweise
ist es notwendig, Wärme zuzuführen.
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Normalerweise wird die zusätzliche Hitze durch Gasverbrennung in der
Verbrennungszone gewonnen. Wenn das Gas in dieser Zone nicht vollständig verbrannt
wird, so wird sein restlicher Wärmeinhalt aus der Reaktionskammer entführt und ist
verloren. Eine vollständige Verbrennung des Gases führt zu einer Erhitzung der Erzteilchen
auf Temperaturen, die erheblich über denjenigen liegen, die zur Durchführung der
gewünschten Reduktionsreaktion erforderlich sind; derartige überhöhte Temperaturen
sind jedoch erforderlich, um eine vollständige Verbrennung des Gases sicherzustellen.
Die Folge ist, daß entweder die reduzierten Erzteilchen, wie sie aus der Kammer
ausgetragen werden, einen nutzlosen Überschuß an fühlbaren Wärmeeinheiten enthalten
und gekühlt werden müssen, um die nachfolgende Handhabung zu erleichtern, oder die
brennbaren Gase nicht aufgebraucht sind und somit nicht ausgenutzt werden.
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Wenn bei einem derartigen Verfahren Wärme zugeführt wird, ist eine
unabhängige Regelung der Temperaturen der verschiedenen Schichten erforderlich.
Wenn z. B. das Erz in einer Verbrennungszone erhitzt wird, indem man darin Gas verbrennt,
und die erhitzten Erzteilchen in eine Reduktionszone ausgeführt werden, ist die
Schichttemperatur in der Reduktionszone unmittelbar von der Schichttemperatur in
der Verbrennungszone abhängig.
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Die Erfindung sieht ein kontinuierliches Verfahren für die Wärmebehandlung
von feinverteilten festen Stoffen in mindestens drei Wirbelschichten vor, deren
Zwischenschicht als Aufheizzone dient, während eine erste Schicht als Vorwärmzone
und eine weitere Schicht als Fertigbehandlungszone benutzt werden. Das Verfahren
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Aufheizzone über die
Wärmeerfordernisse der Fertigbehandlungszone hinaus erhitzt und in der Fertigbehandlungszone
die übermäßig erhitzten Teilchen aus der Erhitzungszone mit festen Teilchen vermengt,
die unmittelbar aus der Vorwärmzone stammen.
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Die Durchmengung der aus der Vorwärmzone zugespeisten Teilchen mit
denen aus der Aufheizzone, die einen übermäßigen Wärmeinhalt haben, in der Fertigbehandlungsschicht
hat einen erwünschten erniedrigenden Einfluß auf die Temperatur in der Fertigbehandlungsschicht,
und infolge der dort herrschenden Wirbelschichtbedingungen tritt der Wärmeübergang
praktisch augenblicklich ein. Ferner führt die Ausnutzung der Verbrennungswärme
in der Erhitzungszone auch zu einer höheren Vorwärmtemperatur in der Vorwärmschicht,
während außerdem die Temperatur der Fertigbehandlungsschicht durch Veränderung der
Anteile an verhältnismäßig heißeren und kühleren festen Teilchen, die ihr zugespeist
werden, geregelt werden kann.
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Die Erfindung besteht ferner in einer Vorrichtung zur Durchführung
des vorstehend gekennzeichneten Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht aus einer
Mehrstufen-Reaktionskammer mit in Abstand übereinander angeordneten Wirbelschichtrosten
und Zuführungen zur Einspeisung der feinverteilten Stoffe in das Reaktionsgefäß
sowie zur Überführung der Teilchen oberhalb eines festgelegten Schichtspiegels von
jeder oberen Schicht zu einer tiefer liegenden und zur Austragung der Teilchen aus
dem Reaktionsgefäß oberhalb eines festgelegten Schichtspiegels in der Fertigbehandlungsschicht.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung vorgesehen ist, welche
Teilchen oberhalb eines festgelegten Spiegels in der Vorwärmzone unmittelbar. in
die Schicht der Fertigbehandlungszone überführt.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend
an Hand der Zeichnung beschrieben. Das Reaktionsgefäß R hat eine äußere Metallwand
12, die mit feuerfesten Ziegeln und Isoliermaterial, wie bei 13
angedeutet,
ausgelegt ist. Die Kammer ist aus drei Zonen A, B und C aufgebaut, die eine
Vorwärmzone, eine Erhitzungszone und eine Reduktions- oder sonstige Fertigbehandlungszone
darstellen. Der Behälter hat einen Deckel 18 und einen kegelförmigen Boden 19 mit
einem Ventilauslaß 20. Die Zone A ist mit einer Einschnürungsplatte 21 versehen,
die eine Mehrzahl von Öffnungen 22 aufweist, auf der eine WirbAschicht des Erzes
sich befindet, das durch Wärmeübertragung erwärmt wird. Hierüber befindet sich der
Absetzraum 25. Die Zone A ist ferner mit einer Platte oder einer sonstigen Trennei_irichtung
26 ausgerüstet, die die Wirbelschicht sowie einen Teil das Raumes 25 in zwei Kammern
27 und 28 unterteilt, so daß jede Kammer ihre eigene Wirb,-lerzschicht enthält,
die erhitzt wird. Diese Schichten sind mit 30 und 31 bezeichnet. Die Zone B weist
eine ähnliche Einschnürungsplatte 35 mit Löchern 36 auf und trägt eine Wirbelschicht
40 des in Behandlung befindlichen Erzes, worübar sich ein Absetzraum 41 befindet.
Die Zone C hat eine weitere Einschnürungsplatte 43 mit Löchern 44 und trägt eine
Wirbelschicht 45 von in Reduktion befindlichem Erz, worüber sich ein Absetzraum
46 befindet. Zone A ist eine Vorwärmzone, Zone B eine Verbrennungszone und Zone
C eine Reduktionszone.
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Die Wirbelschichten 30 und 31 in Zone A werden hinsichtlich ihres
Spiegels durch die Einlässe 80 und 81 der Leitungen oder Uberlaufrohre 23 bzw. 24
gesteuert. Das aus der Schicht 30 überfließende Erz gelangt durch Leitung 23 in
die Schicht 40 in der Barunterliegenden Zone B, während das aus der Schicht 31 üb--rfließende
Erz durch Leitung 24 unmittelbar in die Schicht 45 in der Zone C gelangt. In ähnlicher
Weise wird der Spiegel der Wirbelschicht 40 durch den Einlaß 84 einer Leitung oder
eines Übvrlaufrohres 42 geregelt, durch welches die überfließenden Erzteilchen in
die Schicht 45 in der Zone C hinabfallen. Auf gleiche Weise wird der Spiegel der
Wirbelschicht 45 in Zone C durch den Einlaß 85 der Leitung bzw. des Üb-.rlaufrohres
47 geregelt, durch das reduziertes Erz zum Austrag gelangt.
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Ein brennbares, reduzierendes Erz wird der Reaktionskammer durch ein
Einlaßrohr 50, das zweckmäßig mit einem Ventil 51 versehen ist, an seinem Boden
zugeleitet. Die Geschwindigkeit des zugeführten Gases ist ausreichend, um die Erzteilchen
in allen Schichten zu fluidisieren. Die Abgase streichen nach oben durch Leitung
55 und verlassen die Reaktionskammer. Das in der Kammer zu behandelnde Erz wird
den Schichten30 und 31 durch ventilgesteuerte Leitungen 57 bzw. 58 zugeführt.
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Um erforderlichenfalls der Zwischenzone B zur Unterhaltung der Verbrennung
Luft zuzuleiten, ist ein Luftzuführungsrohr 60 vorgesehen, das in die Kammer bei
61 oder 62 einmündet, wo die eintretende Luft sich mit dem aufsteigenden Gasstrom
vermischt.
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Ein zweckmäßig mit Ventil vers3lienes Rohr 65, das mit einem Brenner
ausgerüstet ist, kann am Boden der Reaktionskammer münden, um Brennstoff zur Anheizung
einzuführen. Das Überlaufrohr 24 ist als durch die Zone B durchgehend dargestellt.
Beispielsweise kann jedoch die Leitung aus der Schicht 31 zu einer Stelle außerhalb
der Kammer und von dort in die Schicht 45 geführt sein.
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Im allgemeinen ist es zweckmäßig, die Trennwand 26 so zu verlegen,
daß die Querschnittsflächen der Schichten 30 und 31 direkt der Menge des durch sie
hindurchgehenden Erzes proportional sind, d. h., wenn Schicht 30 60 °/o der Ouerschnittsfläche
der Zone A einnimmt, dann treten 60 °/o der gesamten Einspeisung durch Leitung 57
ein. Auch sind die Einlässe der Leitungen 23 und 24 in gleichem Abstand oberhalb
der Einschnürungsplatte21 angeordnet, so daß die Tiefen der Schichten 30 und 31
praktisch gleich sind. Dies ist jedoch nicht entscheidend, solange dafür gesorgt
wird, daß beide Schichten zuverlässig im Wirbelschichtzustand bleiben. Selbst wenn
die Schicht 31 nur 40 °/o der Zone A einnimmt, kann es erwünscht sein, 60 °/o des
gesamten eintretenden Erzes dieser Schicht zuzuführen, so daß eine erhöhte Menge
durch Leitung 24 zur Schicht 45 überfließen kann, um die gewünschte Temperatur dort
aufrechtzuerhalten. Es kann auch zweckmäßig sein, die Leitung 24 zu isolieren oder
so zu verlegen, daß sie überhaupt nicht durch die Zone B hindurchgeht.
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Bei Inbetriebsetzung des Reaktionsgefäßes R wird zu Beginn Wärme zugeführt,
indem durch Leitung 65 zugeleiteter Brennstoff verbrannt wird, während man fortlaufend
durch die Leitungen 57 und 58 Erz in die Schichten 30 und 31 einspeist, von wo das
Erz in die Barunterliegenden Schichten 40 und 45 durch die Leitungen 23, 24 und
42 abwärts fließt. Fluidisier- und Reduziergase werden durch Rohr 50 eingeführt,
und das Gas zur Unterhaltung der Verbrennung bzw. Luft wird durch Rohr 60 eingeführt.
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Wenn die Reaktionskammer sich in vollem und kontinuierlichem Betriebe
befindet, ist Zone B die heißeste Zone, und hier findet die Verbrennung statt. Die
Temperatur muß hier hoch genug gehalten werden, daß darin eine praktisch vollständige
Gasverbrennung stattfindet. In Zone C, wo reduzierende Bedingungen aufrechterhalten
werden, muß das Erz der Schicht 45 auf einer ausreichenden Temperatur gehalten werden,
um die gewünschte Reduktion durchzuführen. Diese Temperatur ist niedriger als die
Temperatur der Verbrennungszone B. Das Erz in den Schichten 30 und 31 in
Zone A
wird durch die aus Zone B aufsteigende Wärme vorgewärmt, so daß das
Erz in diesen Schichten sich durch die fühlbare Wärme erwärmt. Erz aus der Schicht
30 fließt durch Leitung 23 in die Schicht 40 über, wo es vorwiegend der latenten
Verbrennungswärme ausgesetzt ist und seine Temperatur auf der für die Verbrennung
der aufsteigenden Gase erforderlichen Höhe sowie oberhalb der in der Barunterliegenden
Schicht 45 erforderlichen Temperatur gehalten wird. Die erhitzten Erzteilchen fließen
durch Leitung 42 in die Barunterliegende Schicht 45. Erz aus der Schicht 31 fließt
durch Leitung24 in die Schicht 45, wo es sich mit den heißeren Erzteilchen aus der
Schicht 40 vermischt. Die Temperatur der Schicht 45 in der Reduktionszone C wird
durch Regelung der in diese Schicht aus den Schichten 31 bzw. 40 eintretenden Menge
an Erzteilchen gesteuert.
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Beispiel Das Verfahren nach der Erfindung wurde zur Reduktion der
Ferrioxydbestandteile eines geringwertigen roten Alabamahämatit-Eisenerzes zu Magnetit
benutzt. Das als Brennstoff zugeführte Gas hatte eine Temperatur von 1100°C und
eine Zusammensetzung von 12,3 °o Hz, 8,6°/o CO, 1,4010 CH, 4,5°:o C02, 13,9°`o
H20 und 59,3 °;'o N'2. Dieses Gas diente auch als Fluidisiergas. Es wurde zuerst
in die Reduktionszone eingeführt, um die Ferrioxydbestandteile des Erzes zu Magnetit
zu reduzieren. Anschließend wurde das Gas einer Verbrennungszone zugeleitet, wo
die restlichen brennbaren Bestandteile praktisch vollständig verbrannt wurden, um
Wärme freizusetzen. Die entstehenden, erhitzten Gase ließ man dann in eine Vorwärmschicht
strömen, wo sie Erzteilchen vorwärmten. Die gesamten eintretenden Erzteilchen wurden
in der Vorwärmzone vorgeheizt, jedoch wurden nur 45,70,', dieser vorgewärmten Teilchen
in die Verbrennungszone abgezogen, um dort
weiter erhitzt zu werden.
Diese erhitzten Teilchen wurden dann in die Reduktionszone abgezogen. Die restlichen
54,30/, der insgesamt eintretenden Teilchen wurden unmittelbar aus der Vorwärmzone
zur Reduktionszone abgezogen, wo sie sich mit den Teilchen aus der Verbrennungszone
vermischten. Die Teilchen in der Reduktionszone wurden auf einer Temperatur von
650°C gehalten, während die Teilchen in der Verbrennungszone auf 800°C gehalten
werden, um eine vollständige Gasverbrennung in dieser Zone zu sichern. Infolgedessen
war die Temperatur der Teilchen in der Vorwärmzone 220'C. Die Teilchentemperatur
in der Reduktions- und der Verbrennungszone wurde gesteuert, indem man die Menge
der diesen Schichten zugeführten Erzteilchen regelte. Im vorliegenden Falle wurden
45,7 °/ o der gesamten eintretenden Teilchen in der Verbrennungszone erhitzt, während
die restlichen 511,3 ° o nicht durch diese Zone passierten.
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Bei Benutzung dieses Verfahrens in der beschriebenen Weise war es
möglich, die gewünschte Reduktion mit einem Wärmeaufwand von annähernd 300 000 kcal
je 984 kg behandeltes Erz durchzuführen. Dieser Wert stellt eine wesentliche Herabsetzung
des Wärmeaufwandes gegenüber bekannten Verfahren dar.