NO781528L - Fremgangsmaate og anordning ved hoeytemperatur-reaktor - Google Patents

Description

"Fremgangsmåte og anordning ved høytemperatur-reaktor".

Foreliggende oppfinnelse angår en høytemperatur-reaktor for kontinuerlig drift og en fremgangsmåte ved drift av sådan reaktor, særlig for kontinuerlig smelting av tungtsmelteride uorganiske forbindelser, fortrinnsvis oksyder og silikater.

Det er kjent en rekke anordninger og fremgangsmåter hvorved fremfor alt oksyder og blandinger av oksyder kan nedsmeltes i høytemperatur-reaktorer, for eksempel for homogenisering av blandinger, gjennomføring av høytemperatur-reaksjoner som visse materialspaltninger eller for fremstilling av pulver-liknende substanser ved rettede størknede korn (Wiskers)

for glideformål. Det material som skal nedsmeltes, opphetes i en passende reaktor ved hjelp av en plasmabrenner, som kan være '.stabilisert med gass eller væske. Som sluttprodukt tas en smelte ut av nevnte reaktor og nedkjøles på hensiktsmessig måte utenfor reaktoren.

For gjennomføring av de angitte prosesstrinn er det kjent å anvende roterende reaktorer, hvori det smeltede material ved hjelp av de opptredende sentrifugalkrefter fordeles langs reaktorens vegger. Vanligvis arbeider sådanne reaktorer ved avgrensede rnaterialporsjoner, da kontinuerlig drift av roterende reaktorer støter på betraktelig tekniske vanskelig-heter. Det er imidlertid åpenbart at fremstilling i stor skala av et produkt som krever smelting i plasmaoppvarmet reaktor som et trinn i fremstillingsprosessen, fordrer tilsvarende store anleggsinvesteringer. En ytterligere ulempe som gjør sådanne reaktorer bare betinget anvendbare i praksis, er de høye mekaniske og termiske påkjenninger av reaktorens rotasjonslagre, hvis vedlikeholdsomkostninger • i høy grad belaster produksjonsomkostningene.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å angi en fremgangsmåte og frembringe en anordning som gjør det mulig å utføre kontinuerlig nedsmeltning av materialer i en plasmaoppvarmet reaktor ved lave produksjonsomkostninger, hvorved eventuelt endotermiske reaksjoner, som for eksempel material-spaltinger, kan gjennomføres i flytende tilstand.

Dette oppnås ved hjelp av en høytemperatur-reaktor hvis særtrekk i henhold til oppfinnelsen består i at plasmabrenneren er plassert i et anoderom og utstyrt med en roterende anode og en grafittkatode, mens det avkjølte og ildfast forede reaktorkammer er hovedsakelig horisontalt opplagret samt utstyrt på oversiden med en innløpsåpning for innføring av smeltegodset i en helningsvinkel a på høyst 90° med reaktorens hovedakse og på undersiden med en utløpsåpning for uttak av smeiten og som er slik anordnet i nærheten av plasmastrålens innløp at utløpsåpningen overdekkes av plasmastrålen.

Oppfinnelsens fremgangsmåte for drift av den ovenfor angitte høytemperatur-reaktor har som særtrekk at det material som skal smeltes tilføres i pulverform ovenfra i en vinkel a på høyst 9 0° med reaktorens hovedakse i en hovedsakelig horisontal opplagret reaktor, hvorunder materialstrømmen trer inn under en vinkel (3 på høyst 9 0° med plasmastrålen inn i strålens ønskede temperatursone og nedsmeltes i denne, hvorpå de smeltede partikler klynges mot reaktorveggen, hvorfra smeiten i form av en flytende film strømmer til reaktorens bunn og oppsamles der for kontinuerlig utløp gjennom en utløpsåpning.

Helt overraskende har det vist seg at det opptimale reaktor-volum og den ideele form av reaktorkammeret danner seg selv ved størkning av smelte på reaktorveggene under innkjøringen av reaktoren. Dette gjør at oppfinnelsens anordning kan anvendes innenfor et stort kapasitetsområde uten konstruktive forandringer. Styringen av det optimale indre volum og formen av re.aktorkammeret oppnås hovedsakelig ved hensiktsmessig innstilling av brennerydelsen, pulverdoseringen og kjøleintensiteten.

De ovenfor angitte forhold utnyttes slik at det avgitte

produkt fra anlegget under en lengre innkjøringsperiode,

for eksempel en time, kasseres som ubrukbart, da dette dessuten er forurenset av oppløst ovnsforing.

Ved å anbringe utløpsåpningen nær plasmastrålen holdes det utløpende smeltegods på forholdsvis høy temperatur, således at størkning og resulterende tilstopning av utløpsåpningen kan forhindres.

Det har herunder fremfor alt ved bearbeiding av temperatur-følsomme- stoffer vist seg fordelaktig å utforme reaktor-

bunnen med en helning mot utløpsåpningen for derved å lette utstrømningen av smeltet material. En tilstopning av utløps-åpningen med størknet smelte kan i tillegg motvirkes ved at plasmastrålens innløpsåpning anbringes på undersiden av reaktorens hovedakse. Derved vil utløpsåpningen befinne seg i plasmåflammens umiddelbare nærhet og vil som følge av dette holdes fri for størknet smelte ved hjelp av stråleoppvarming. Nevnte innløpsåpning anbringes herunder fortrinnsvis omtrent midt imellom reaktorkammerets hovedakse og reaktorbunnen, mens utløpsåpningen anordnes under den første fjerdedel av plasmastrålen, som utgjør den varmeste flammesone.

Vanligvis tilstrebes det å holde smeltegodsets oppholdstid

i reaktoren kort, for å oppnå store gjennomstrømningsmengder og, som nevnt ovenfor, å gjøre bearbeidingen av temperatur-følsomme materialer så skånsom som mulig. For visse anvendelseformål, for eksempel- ved termisk spalting av silikater, kan det imidlertid være ønskelig å ikke underskride en viss minimal reaksjonstid'. Dette kan da oppnås ved å anordne en fordypning

i reaktorbunnen, hvori det smeltede gods samles og først etter oppfylling av denne fordypning forlater reaktoren gjennom utløps-åpningen. Størrelsen av denne fordypning kan tjene som styrings-parameter for materialets oppholdstid i reaktoren. For å motvirke faren for en delvis størkning av.smeiten i denne fordypning, kan plasmabrenneren anordnes til en viss grad svingbart mot hovedaksen for å kunne rettes direkte mot nevnte fordypning som gjør tjeneste som smeltereservoar.

En liknenende virkning kan oppnås ved at reaktorbunnen utføres, med en stigning mot utløpsåpningen. Ved en ytterligere fordelaktig utførelseform av høytemperatur-reaktoren i henhold til oppfinnelsen, er reaktoren svingbart utført ved hevning av brenneren og for å fastholdes i utsvingt form i drift, hvorunder reaktorens hovedakse fortrinnsvis danner en vinkel opp til 45° med horisontalretningen.

Som ildfast foring av reaktoren har det vist seg hensiktsmessig

å anvende et porøst høytemperatur-material i form av hule kuler sammen med et egnet bindemiddel, for eksempel kuler av korund med et bindemiddel på fosfatbasis.

I en ytterligere fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsens høytemperatur-reaktor er kjølerør for føring av kjølevann og for eksempel av kobber innleiret i reaktorisolasjonen.

For utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte kan det anvendes vandige plasmabrennere. Stabiliseringens art, væske eller gass, avhenger herunder entydig av den ønskede brennerydelse. Det har således vist seg at det ved brennerydelser for

eksempel opptil 50 kW er fordelaktig å anvende gasstabilisering, mens det for ydelser på 50 kW og mer er mer fordelaktig å anvende væskestabiliserte brennere. Vannstabiliserte plasmabrennere anvendes fortrinnsvis ved bearbeiding av sådanne materialer som ikke reagerer med den lett oksyderende plasma-gass som frembringes ved sådanne brennere. Sådanne materialer er fremfor alt oksyder og produkter som termisk spaltes i oksyder, for eksempel silikater.

Når innkjøringstiden er slutt er det innstilt seg en temperatur-likevekt mellom overflaten av reaktorveggene og plasmaflammen, hvilket vil si at reaktorkammeret har oppnådd optimal form og volum ved at reaktorens innside er blitt foret med størknet smeltegods, og denne foring forblir nu hovedsakelig konstant under reaktorens videre drift.

Ved en foretrukket form av reaktorkammeret når flammen med

sin ytterste spiss den reaktorvegg som ligger rett overfor plasmaflammens innløpsåpning, og forholdet mellom reaktorkammerets lengde og dets høyde eller tverrmål ligger mellom 1:1 og 5:1.

Oppfinnelsens fremgangsmåte og anordning har vist seg særlig gunstig ved nedsmeltning av oksyder og oksydblandinger med et smeltepunkt på mer enn 1700C. Likeledes har det vist seg at anvendelse av oppfinnelsens fremgangsmåte og anordning er gunstig og fordelaktig ved nedsmelting og termisk spalting av silikater, for eksempel av formen MeSiO^, etter reaksjonslikningen:

For bestemte anvendelseformål, særlig ved høytemperatur-reaksjoner, har det vist seg nødvendig å utføre reaksjons-prosessene i en bestemt, forut fastlagt'atmosfære. Dette kan utføres i en fordelaktig utførelseform av oppfinnelsens anordning, hvori plasmabrenneren er gasstett flensforbundet med brennerkammeret, idet den ønskede gassatmosfære, for eksempel gjennom en eller flere ventile'r, føres inn i anoderommet og derfra trekkes med plasmastrålen inn i reaktorrommet.

I kombinasjon med egnede avkjølingsbetingelser kan de behandlede materialers egenskaper i henhold til oppfinnelsen forandres innenfor vide områder. Som eksempel på dette kan nevnes. regulering av krystallstørrelsen, oom ved hensiktsmessig avkjøling kan velges innenfor et vidt område. Ved tilpasning til kontinuerlig utstrømning av smelte, kan det også anvendes en helt kontinuerlig avkjølingsprosess.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere forklart ved hjelp av' tre utførelseeksempler og en figur på den vedføyde tegning. Figuren viser skjematisk et snitt gjennom en utførelsevariant av oppfinnelsens høytemperatur-reaktor, som består av plasmabrenner og reaktorkammer.

Plasmabrenneren 1 består av en roterende anode 4, for eksempel av kobber, og en grafittkatode 5. Ved hjelp av en vannvirvel stabiliseres plasmaflammen i kanalen 6. Reaktorkammeret 7 består av en stålblekkmantel 8 som innvendig er foret med en høytemperaturbestandig stampemasse 9. For avkjøling av foringen 9 er det innleiret vannkjølte rør 10, som ved plasmaflammens innløpsåpning 11 og ved utløpsåpningen 3 er forsterket, idet rørantallet er fordoblet. Ved hjelp av en gasstett flens-forbindelse av'plasmabrenneren 1 med endeveggen av anode-kammeret 13 kan det ved innføring av gasser gjennom en ventil 12 opprettes en ønsket gassatmosfære i anoderommet 13'i reaktorkammeret 7. Tilførselen"av smeltematerial i pulverform finner sted gjennom tilførselsåpningen 2. Smeltens strømningsveier er skjematisk antydet ved hjelp av stiplede linjer og piler.

Det skikt av størknet smeltematerial som dannes under reaktorens innkjøring, er betegnet med 17. Gjennom tilførselsledningen 16 kan en forut fastlagt gassatmosfære ledes inn i reaktorkammeret 7.

I figurutsnitt A er det skjematisk vist en utførelsevariant

av reaktoren med svingbar plasmabrenner 1, og i figurutsnitt B er det vist en variant av reaktoren med fordypning 14 i reaktorbunnen 15.

EKSEMPEL 1

En reaktor med indre volum på omtrent 6000 cm 3 og vannkjølt

ved hjelp av kobberrør ble anvendt for■kontinuerlig nedsmeltning av aluminiumoksyd ved hjelp av en vannstabilisert plasma-stråle. Reaktorbunnen var utformet med en 6° helning mot ut-løpsåpningen. Brennerydelsen ble holdt konstant i området 130 til 150 kW ved etterforskyvning av grafittkatoden.

Ved en gjennomløpsmengde på 40 til 50 kg A^O^/time ble oppholdstiden for aluminiumoksydet i reaktoren fastlagt til 10 til 14 sekunder. Den utløpende smelte ble støpt i kokiller med et indre.rom på ca. 6x12x5 cm.

EKSEMPEL 2

I den samme reaktor og under anvendelse av samme plasmabrenner som i eksempel 1, ble det smeltet aluminiumoksyd med en tilsats på 21% zirkoniumoksyd. Brennerparameterne ble valgt innenfor rammen av det som er angitt i eksempel 1, mens reaktorrommet i seg selv ved svingning av brenneren ble stilt i en sådan skråstilling at den dannet en vinkel på 10° med horisontalplanet...Likeledes ble den utstyrt med en rett bunn. Som en følge av disse tiltak ble det oppnådd en antatt oppholdstid for smeltegodset i reaktoren på 45 til 55 sekunder. Gjennomløpsmengden for den innførte A^O^/ZrC^r blanding beløp seg til 45 til 50 kg pr. time. Av det fremstilte produkt ble det tatt ut prøver for keramografiske undersøkelser samt undersøkelse av produktets malingsforhold. Egenskapene for den således fremstilte A^O^/ZrO^-^egering" kunne holdes konstant under en produksjonstid på 5 timer.

EKSEMPEL 3

Samme reaktor som i eksempel 2 ble under drift med samme driftsparametere tilført 50 til 55 kg/time zirkoniumsand (ZrSiO^). Den termiske spalting av dette silikat som ble gjennomført i reaktoren, forløp etter reaksjonslikningen

Smeltegodsets oppholdstid i reaktoren ble beregnet å være

40 til 50 sekunder. Under denne forholdsvis lange oppholdstid ble det oppnådd en omsetning på 100%. Etter avkjøling ble det oppnådd et lett målbart produkt av monoklint ZrG^innleiret i amorft SiO,,.

Claims (15)

1. Hø ytemperatur-reaktor, særlig for smelting av tungt-smeltelige uorganiske forbindelser, slik som oksyder og silikater, og som omfatter en plasmabrenner karakterisert ved at plasmabrenneren (1) er plassert i et anoderom (14) og utstyrt med en roterende anode (4) og en grafittkatode (5), mens dets avkjølte og ildfast forede reaktorkammer (7) er hovedsakelig horisontalt o <p> plagret samt utstyrt på oversiden med en innløpsåpning (2) for innføring av smeltegodset i en helningsvinkel av a på høyst 90° med reaktorens hovedakse og på undersiden med en utløpsåpning (3) for uttak av smeiten og som er slik anordnet i nærheten av plasmastrålens innløp (11) at utløpsåpningen overdekkes av plasmastrålen.

2. Reaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at reaktorbunnen (15) er utført med en helning mot utløpsåpningen (3).

3. Reaktor som angitt i krav 2, karakterisert ved at reaktorbunnen (15) danner en vinkel på 1 - 15° ved reaktorens hovedakse.

4. Reaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at reaktorbunnen (15) oppviser en fordypning (14) for oppsamling av smelte.

5. Reaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den er skråstilt med en vinkel på 0 til 45° mellom plasmastrålens retning og reaktorkammerets hovedakse.

6. Reaktor som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at plasmabrenneren (1) er anordnet svingbart i forhold til hovedaksen.

7. Reaktor som angitt i krav 6, karakterisert ved at plasmastrålen er anordnet for ved svingning å kunne rettes mot nevnte fordypning (14) som gjør tjeneste som smeltereservoar.

8. Reaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at reaktorkammeret (7) ved hevning av brenneren-(1) er utført for å svinges på sådan måte at kammerets hovedakse danner en vinkel opptil 45° med horisontalplanet.

9. Reaktor som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at plasmastrålens innløps-åpning (11) er anordnet på undersiden av reaktorkammerets hovedakse.

10. Fremgangsmåte for drift av en hø ytemperatur-reaktor utført som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at det material som skal smeltes tilføres i pulverform forfra under en vinkel a på høyst 9 0° i forhold til reaktorkammerets hovedakse, hvorved pulverstrømmen under en vinkel (3 på høyst 90° i forhold .til plasmastrålen -.trenerer inn i den ønskede temperatursone av strålen og smeltes ned i denne sone, hvorpå smeltepartiklene slynges mot reaktorveggen og strømmer som en tynn film langs veggen til reaktorens bunn (15), hvor smeiten samler seg og kontinuerlig strømmer ut gjennom en utløpsåpning-(3).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at det under reaktorens drift tilføres minst en gass gjennom et tilsvarende antall utløpsledninger (16) til anoderommet (13), for opprettelse av en forut bestemt atmosfære i reaktoren.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 10 eller 11, karakterisert ved at det ved smeltning av oksyder eller silikater anvendes en vannstabilisert plasmabrenner. i.'..

Anvendelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 10 - 12/ for nedsmeltning av oksyder og oksydblandinger med et smeltepunkt på minst 1700°C.

14. Anvendelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 10 - 12, når nedsmeltning og termisk spalting av silikater, for eksempel av formen MeSiO^ , etter reaksjonslikningen:

15. Anvendelse av en fremgangsmåte som angitt i krav 10, 13 eller 14, for nedsmeltning av zirkoniumsand, hvorunder zirkoniumsanden spaltes termisk i monoklint ZrC>2 og amorft SiC^ .