Verfahren und Vorrichtung zur Grobabscheidung von Feststoffpartikeln aus feststoffbeladenen Gasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Grobabscheidung von Feststoffpartikeln aus feststoffbeladenen Gasen. Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Behandeln von partikelförmigen Einsatzstoffen mittels Behandlungsgasen in einem Reaktor, insbesondere in einer Fluidisierungszone bei erhöhter Temperatur.

Aus der EP 1 397 521 ist es bekannt, dass aus einem Reaktor zur Behandlung von teilchenförmigem Material ausgetragene, feststoffbeladene Behandlungsgase einer Abtrenneinrichtung, wie z.B. einem Zyklon zugeführt werden. Aufgrund des Prozesses in einer Fluidisierungszone, wie z.B. in einer Wirbelschicht, werden Feststoffe mit dem Behandlungsgas ausgetragen. Im Zyklon erfolgt die Abtrennung dieses Feststoffes vom Behandlungsgas, wobei der Feststoff wieder in den Reaktor zurückgeführt wird. Nachteilig ist dabei, dass große Partikel bei der Rückführung der Feststoffe in den Reaktor zu verstopften Eintragsvorrichtungen führen können.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine sichere Abtrennung von Feststoffen aus einem feststoffbeladenen Gas ermöglichen und die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik vermeiden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Grobabscheidung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und dem Verfahren zur Grobabscheidung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Feststoffe aus einem feststoffbeladenen Gas abgetrennt werden. Feststoffe treten häufig mit Behandlungsgasen aus Reaktoren aus, die zur Reduktion eines partikelförmigen Materials genutzt werden. Insbesondere beim Betrieb einer Fluidisierungszone ist es bekannt, dass Feststoffe zusammen mit dem Behandlungsgas ausgetragen werden. Diese Feststoffe müssen vom Behandlungsgas abgetrennt werden und können dem Reaktor erneut zugeführt werden. Aufgrund der Fluidisierungszone kann es zu sehr starken Austragungen kommen, wobei auch größere Feststoffpartikel mitgerissen

werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden die aus einem Reaktor ausgetragenen bzw. ausgeschleuderten Feststoffpartikel in den sacklochartigen Leitungsfortsatz getragen, während das Gas in die bogenförmige Ableitung strömt. Damit wird vermieden, dass die groben Feststoffpartikel mit dem Gas abströmen. Sie verbleiben in der im Wesentlichen senkrecht oder schräg angeordneten Zuleitung, sodass eine Grobabscheidung unmittelbar erfolgt. Vorteilhaft ist dabei, dass die Vorrichtung ohne bewegliche Teile auskommt und dass Feststoffpartikel sicher in der Zuleitung verbleiben. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Austrag von Feststoffpartikeln, insbesondere von groben Partikeln weitgehend vermieden werden, sodass bei einer weiteren Behandlung des feststoffbeladenen Gases keine Probleme durch Feststoffpartikel auftreten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Position der zumindest abschnittsweise bogenförmigen Ableitung auf der Zuleitung derart gewählt, dass die Länge des Leitungsfortsatzes in etwa der Höhe der bogenförmigen Ableitung entspricht. Durch die Anpassung der Länge des Leitungsfortsatzes kann der Raum, in den die Feststoffpartikel gelangen gemäß den Betriebsparametern wie z.B. Betriebsdrücken angepasst werden. Entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und den Volumenstrom des feststoffbeladenen Gases wird die Länge des Leitungsfortsatzes festgelegt. Da durch die bogenförmige Ableitung der Strömungswiderstand beeinflusst wird, hat es sich als vorteilhafte Lösung gezeigt, wenn die Länge des Leistungsfortsatzes in etwa der Höhe der Ableitung entspricht.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht die Länge des Leitungsfortsatzes in etwa 0,3 - 3 mal, insbesondere 0,5 - 1 mal, der lichten Weite der Zuleitung. Durch die Kombination aus lichter Weite und Länge kann entsprechend der Größe der Feststoffpartikel eine weitgehende Grobabscheidung erzielt werden. Dabei wird die Trägheit der Feststoffpartikel genutzt.

Erfindungsgemäß weist die Krümmung der bogenförmigen Ableitung, in Form eines Kreisbogens oder eines aus geraden Segmenten aufgebauten Bogens, einen Radius von etwa 3 - 5 mal der lichten Weite der bogenförmigen Ableitung auf. Diese Ausführungsform hat sich hinsichtlich der Strömungseigenschaften und dem durch die Umlenkung verbundenen Druckabfall als vorteilhaft gezeigt. Alternativ ist es möglich die Bogenform durch eine Mehrzahl von Segmenten aufzubauen. Dies ist eine kostengünstige Alternative zur Kreisbogenform.

Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die lichten Weiten der Zuleitung und der bogenförmigen Ableitung in etwa gleich. Damit ist der innere Strömungsquerschnitt in etwa konstant, sodass auch der Druckabfall in der Vorrichtung gering gehalten werden kann. Dies ist auch im Hinblick auf nachfolgende Aggregate zur Behandlung des feststoffbeladenen Gases vorteilhaft.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Querschnitte der Zuleitung und/ oder der bogenförmigen Ableitung kreisförmig, wobei diese im Bereich der Einmündung des sacklochartigen Fortsatzes in den Bogen ebene Wandabschnitte aufweisen, die zur Verstärkung Rippen umfassen. Durch den kreisförmigen Querschnitt wird ein vorteilhaft geringer Strömungswiderstand erreicht in der Vorrichtung erzielt. Im Bereich des Bogens entstehen durch den sacklochartigen Leitungsfortsatz zwei ebene Wandabschnitte. Diese ebenen Wandabschnitte werden bei Ausgestaltung der druckbeaufschlagten Leitung durch die Anordnung von Rippen verstärkt.

Eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Deckel des sacklochartigen Leitungsfortsatzes eine ebene innere Oberfläche aufweist, die horizontal und/ oder normal zur Achse der Zuleitung angeordnet ist, oder eine gewölbte Oberfläche aufweist, die einem Klöpperboden oder einer Kugelkalotte oder ähnlichem entspricht. Unter Klöpperboden ist eine Kuppelform zu verstehen, die eine kleinere randnahen Krümmung und eine größere mittige Krümmung aufweist.

Die Zuleitung kann entweder senkrecht oder schräg angeordnet sein bzw. auch S- förmig ausgebildet sein, um die Umlenkung zu verstärken.

Feststoffteilchen werden aus Reaktoren, die eine Fluidisierungszone aufweisen häufig mit sehr hohen Geschwindigkeiten zusammen mit dem Behandlungsgas aus dem Reaktor ausgetragen bzw. auch ausgeschleudert. Damit treffen diese Feststoffteilchen mit teilweise hoher Geschwindigkeit auf den Deckel im Leitungsfortsatz und werden von diesem reflektiert, sodass die Feststoffteilchen über die Zuleitung aufgrund der Schwerkraft wieder in den Reaktor gelangen. Aufgrund der Charakteristik vieler Reaktoren mit Fluidisierungszone werden Feststoffteilchen nicht andauernd, sondern nur unter bestimmten Drucksituationen ausgeschleudert. Somit ist sichergestellt, dass ausgetragene Feststoffteilchen nur in die Zuleitung und in den Leitungsfortsatz gelangen bzw. wieder in den Reaktor zurückfallen. Dazu ist es üblich die erfindungsgemäße Vorrichtung über einem Reaktor anzuordnen.

Erfindungsgemäß ist in der Ableitung, zur Kühlung des vorgereinigten Gases ein Anschluss zur Einleitung eines Kühlgasstroms in das vorgereinigte Gas vorgesehen. Dies gestattet einerseits die Einstellung einer gezielten Temperatur im Gas nach der Vorrichtung und damit eine Vorbereitung für die weitere Behandlung des feststoffbeladenen Gases.

Nach einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zuleitung im Bereich der bogenförmigen Ableitung eine verschließbare öffnung zur Innenreinigung, insbesondere zur Beseitigung von Ablagerungen, vorgesehen. Beim Einsatz der Vorrichtung unter heißem feststoffbeladenen Gas kann es zu Ablagerungen bzw. Anbackungen kommen. Durch die öffnung ist eine Innenreinigung bzw. eine Beseitigung derartiger Anbackungen einfach möglich, des weiteren können so überprüfungen der Vorrichtung durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Grobabscheidung von Feststoffpartikeln aus feststoffbeladenen Gasen zeichnet sich durch ein einfaches Konzept aus. über eine Zuleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an einer Stirnseite feststoffbeladene Gase zugeführt. Die Zuleitung ist ihrer anderen Stirnseite mittels eines Deckels verschlossen. Eine bogenförmige Ableitung auf der Zuleitung ist derart angeordnet, dass ein sacklochartiger Leitungsfortsatz zur Aufnahme von Feststoffpartikeln gebildet wird, wobei in die Zuleitung eingetragene Feststoffe aufgrund ihrer Trägheit in den Leitungsfortsatz getragen und dabei zumindest teilweise vom Gas abgeschieden werden. Das Gas wird mit verbliebenen Feststoffen über die Ableitung abgeführt. Damit können nur sehr feine Feststoffpartikel mit dem Gas in die bogenförmige Ableitung gelangen, sodass der Großteil der Feststoffe in der Zuleitung verbleibt. Vor allem aber wird durch das Verfahren erreicht, dass grobe Feststoffpartikel nicht mit dem Gas in die Ableitung gelangen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, da bei nachfolgenden Behandlungsschritten des Gases Feststoffpartikel vor allem mit Korngrößen von mehr als 5 - 10 mm erhebliche Probleme bereiten können. Vorteilhaft ist dabei, dass durch Ausnützung der Trägheit die Feststoffpartikel abgeschieden werden, sodass keinerlei Umlenkungen oder aufwändige Verfahrensschritte nötig sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens werden die im Leitungsfortsatz abgeschiedenen Feststoffe aufgrund von Schwerkraft über die Zuleitung wieder ausgetragen. Diese einfachste Lösung bewirkt

nicht nur einen sicheren Abtransport der abgeschiedenen Feststoffpartikel sondern macht auch entsprechende Vorrichtungen zum Abtransport unnötig.

Eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass während des Austrages der abgeschiedenen Feststoffe über die Zuleitung die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffe im Leitungsfortsatz größer als die Gasgeschwindigkeit des feststoffbeladenen Gases in der Zuleitung ist. Während also die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffe größer als die Gasgeschwindigkeit ist, können die Feststoffpartikel durch die Zuleitung ausgetragen werden.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass abgeschiedene Feststoffe am Deckel des Leitungsfortsatzes reflektiert und zurück in die Zuleitung geschleudert werden. Bei hohen Gas- bzw. Feststoffpartikelgeschwindigkeiten treffen die Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf den Deckel und fallen dann wieder zurück in die Zuleitung.

Entsprechend einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem vorgereinigten Gas zur Kühlung ein Kühlgasstrom beigemengt. Nach erfolgter Grobabscheidung kann das vorgereinigte Gas für weitere Behandlungen thermisch eingestellt werden. Dies erfolgt durch zumischen eines Kühlgasstromes, sodass z.B. sehr heiße Gase gekühlt werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im vorgereinigten Gas verbliebene Feststoffe in einer weiteren Abscheideeinrichtung abgetrennt. Aufgrund der bereits vorher erfolgten Grobabscheidung und gegebenenfalls einer Verringerung der Gastemperatur kann das Gas für nachfolgende Abscheideeinrichtungen optimal vorbereitet werden, sodass die Abscheideeinrichtung einen möglichst hohen Wirkungsgrad und einen störungsfreien Betrieb erzielt. Insbesondere beim Einsatz von Zyklonabscheidern ist es nötig die Temperatur bei heißen Gasen entsprechend zu senken und eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit einzuhalten. Durch die vorab durchgeführte Grobabscheidung werden dabei grobe Feststoffpartikel sicher abgetrennt und eine hinreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit beibehalten, sodass eine optimale Abscheidung in einem Zyklon oder anderen Abscheideeinrichtungen erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiters entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Behandeln von partikelförmigen Einsatzstoffen nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 16 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln von partikelförmigen Einsatzstoffen, insbesondere von Feinerzen, erfolgt mittels Behandlungsgasen in einem Reaktor, insbesondere in einer Fluidisierungszone, und bei erhöhter Temperatur. Das feststoffbeladene Behandlungsgas wird durch Reaktionen im Reaktor, die auch eruptionsartige Abläufe haben können, aus dem Reaktor ausgetragen und einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zugeführt.

Beim Betrieb von Fluidisierungszonen ist es bekannt, dass es immer wieder zu Druckspitzen im Reaktor kommt, die dazu führen können, dass nicht nur Stäube und kleine Feststoffpartikel aus dem Reaktor ausgeschleudert werden, sondern auch größere Partikel, die eine Partikelgröße von mehr als 5 - 10 mm aufweisen. Derartige Partikel stellen potentielle Störursachen dar, weil es zu Anbackungen, Ablagerungen aber auch zu einer Verminderung von Strömungsquerschnitten bis hin zu Verstopfungen kommen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Problemkreise.

Die feststoffbeladenen Behandlungsgase werden über die Zuleitung zugeführt, wobei in die Zuleitung eingetragene Feststoffe aufgrund ihrer Trägheit in den Leitungsfortsatz getragen und zumindest teilweise vom Behandlungsgas abgeschieden werden. Das vorgereinigte Behandlungsgas wird über die Ableitung abgeführt. Die im Leitungsfortsatz abgeschiedenen Feststoffe werden aufgrund von Schwerkraft über die Zuleitung wieder in den Reaktor geführt. Damit ist sichergestellt, dass die Verluste durch ausgeschleuderte Feststoffpartikel, wie z.B. Feinerzen oder auch Feineisenerzen gering gehalten werden können.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im vorgereinigten Behandlungsgas verbliebene Feststoffe in einer weiteren Abscheideeinrichtung abgetrennt, wobei diese Feststoffe über einen Injektor in den Reaktor rückgeführt werden. Damit ist es möglich, nahezu die gesamten mit dem Behandlungsgas ausgetragenen Feststoffpartikel in den Reaktor und damit in den Prozess zurückzuführen. Verluste von Wertstoffen, wie z.B. Erz können damit sehr gering gehalten werden.

Nach einer weitern besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Verfahren ein Reduktionsverfahren. Bei Reduktionsverfahren kann es durch mit dem Behandlungsgas ausgetragenem teilweise bzw. weitgehend reduziertem Material, wie z.B. Erzen oder auch Eisenerz, zu erheblichen Verlusten

kommen, da der Wertstoff reduziertes Material wieder aufwändig behandelt und erneut eingebracht werden muss. Durch das Verfahren kann dies weitgehend vermieden werden.

Die Erfindung wird am Bespiel einer möglichen Ausgestaltung näher beschrieben.

Fig. 1: Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Grobabscheidung in einer möglichen Ausgestaltung

Fig. 2: Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über einem Reaktor zur thermisch-metallurgischen Behandlung eines Materials

Fig. 3: Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über einem Reaktor zur thermisch-metallurgischen Behandlung eines Materials mit einer schräg angeordneten Zuleitung

Figur 1 zeigt eine im Wesentlichen senkrecht angeordnete Zuleitung 1 , welche leitungsmäßig mit einem Erzeuger feststoffbeladener Gase verbunden ist. Eine übliche Anordnung sieht die Vorrichtung mit der Zuleitung 1 über einem solchen Erzeuger (Reaktor 8, siehe Fig. 2) angeordnet vor. In einer Vielzahl von metallurgischen Verfahren, wie z.B. Reduktionsverfahren oder auch anderen metallurgisch-thermischen Verfahren treten Feinstoffpartikel mit Prozessgasen des Verfahrens (Behandlungsgasen) auf. Diese werden bei kleiner Partikelgröße mit Gasströmen mitgerissen, insbesondere bei hohen Gasgeschwindigkeiten, wie sie oftmals auftreten. Beispielsweise ist es bekannt, dass bei Wirbelschichtverfahren, die auf einer Fluidisierungszone basieren, es immer wieder zu eruptionsartigen und mit hohen Gasgeschwindigkeiten gekoppelten Bewegungen in der Fluidisierungszone kommt. Diese führen über die Leitungen zum Austrag des Behandlungsgases, sodass feststoffbeladene Gase G entstehen, deren weitere Behandlung aufwendig und kostenintensiv ist. Im Falle des Austrages von Feststoffen aus einem Reaktor mit einer Fluidisierungszone tritt das feststoffbeladene Gas G über die Zuleitung 1 in die erfindungsgemäße Vorrichtung ein. Dabei werden die Feststoffpartikel in den sacklochartigen Raum, gebildet durch den Leitungsfortsatz 5 geschleudert. Aufgrund der Trägheit der Feststoffpartikel verbleibt der überwiegende Teil der Feststoffpartikel im Leitungsfortsatz 5 und gelangt nicht in die bogenförmige Ableitung 2.

Die im Leitungsfortsatz verbliebenen Feststoffpartikel gelangen unter Schwerkraft über die Zuleitung wieder zurück in den Reaktor, aus dem sie ausgeschleudert

wurden. Somit sind keinerlei Einrichtungen für den Austrag der abgeschiedenen Feststoffpartikel aus der Vorrichtung nötig.

Die Ableitung 2 ist im Bereich der Einmündung in die Zuleitung 1 bogenförmig ausgebildet, um eine ungehinderte Gasströmung zu ermöglichen. Die bogenförmige Ableitung 2 kann an ihrem freien Ende beliebig ausgebildet sein, um einen Anschluss an weitere Behandlungseinrichtungen zu ermöglichen.

Gemäß Figur 2 kann die bogenförmige Ableitung mit einer weiteren Abscheideeinrichtung, wie z.B. einen Zyklon 9, verbunden sein. Damit wird eine zumindest zweistufige Abscheidung erzielt, mit einer Grobabscheidung und einer nachfolgenden Feinabscheidung und ggf. einer Rückführung, der in der zweiten Stufe abgeschiedenen Feststoffpartikel in den Reaktor. üblicherweise wird dem bereits in der Vorabscheidung vorgereinigten Gas ein Kühlgas über einen Anschluss 6 eingeleitet, wobei die Temperatur des Gases entsprechend angepasst, zumeist gekühlt wird. Wie in Fig. 2 angedeutet kann eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Verbindung mit einem Reaktor 8 angeordnet werden.

Vorteilhafterweise weist die Zuleitung 1 im Bereich der bogenförmigen Ableitung 2 eine verschließbare öffnung 7 auf. Diese gestattet einen Zugang zum Inneren der Vorrichtung und ermöglicht eine Innenreinigung. Bei einer Vielzahl von feststoff- beladenen Gasen treten Ablagerungen oder Anbackungen in Vorrichtungen auf, in denen das Gas geführt wird. Durch die öffnung 7 ist eine einfache Beseitigung von Ablagerungen bzw. die Inspektion der Vorrichtung möglich.

Die Anzahl der Vorrichtungen zur Grobabscheidung je Erzeuger feststoffbeladener Gase wird nach Bedarf festgelegt. Technisch übliche Reaktoren können mit 4 bis 8 Vorrichtungen zur Grobabscheidung ausgestattet sein. Figur 2 zeigt eine schräge Leitungsanbindung 10 an einen Reaktor 8 mit einer senkrechten Zuleitung 1 und einem senkrechtem sacklochartigen Fortsatz 5. Der Fortsatz 5 kann aber auch in axialer Verlängerung der Leitungsanbindung 10 verlaufen.

Die im Zyklon 9 abgeschiedenen Feststoffpartikel 11 können über einen nicht dargestellten Injektor in den Reaktor rückgeführt werden.

Nach Fig. 3 ist die Zuleitung 1 schräg angeordnet, sodass sich eine S-förmige Leitung vom Reaktor in die Vorrichtung ergibt, sodass die Umlenkung noch verstärkt werden kann.