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Dokumentenidentifikation DE19538048C2 12.10.2000
Titel Vorrichtung zum Trocknen und Erwärmen von einem Koksofen zuzuführender Kohle
Anmelder Japan Iron and Steel Federation, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yokomizo, Masahiko, Futtsu, Chiba, JP
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 12.10.1995
DE-Aktenzeichen 19538048
Offenlegungstag 18.04.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2000
IPC-Hauptklasse C10B 57/10
IPC-Nebenklasse F26B 3/10   F26B 17/10   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung, in der einem Koksofen als Rohmaterial zuzuführende Kohle getrocknet wird, um darin enthaltende Feuchtigkeit zu entziehen, und weiter erwärmt wird, während sie durch ein unter einem Neigungswinkel von mindestens 3° bezüglich einer vertikalen Achse angeordnetes geneigtes, geradliniges Rohr zusammen mit einem heißen Trägergas schräg nach oben transportiert wird.

Kohle, die einem Koksofen zugeführt wird, d. h. mit der ein Koksofen beschickt wird, hat, wenn diese von einem Kohlelager geliefert wird, aufgrund eines in der Aufbereitung einer Kohlengrube oder -zeche durchgeführten Waschprozesses, einer natürlichen Trocknung durch Sonneneinstrahlung und einer Feuchtigkeitszunahme aufgrund von Regenfall während der Lagerung am Lagerplatz einen Feuchtigkeitsgehalt von 7 bis 10%. Bei der industriellen Anwendung ergeben sich viele Vorteile, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Kohle, bevor diese einem Koksofen zugeführt wird, auf nahezu 0% vermindert und die Kohle auf eine Temperatur von etwa 200°C vorgewärmt wird.

D. h., wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Kohle auf etwa 0% vermindert wird, kann die bei einem Verkokungsprozeß in einem Koksofen verbrauchte Wärmeenergie minimiert werden. Wenn Feuchtigkeit vorhanden ist, muß diese vor dem Kohleverkokungsprozeß verdampft werden, wobei Wärmeenergie verbraucht wird. Weil außerdem die verdampfte Feuchtigkeit als Wasserdampf im oberen Bereich der Verkokungskammer erwärmt wird, bevor dieser aus der Verkokungskammer eines Koksofens austritt, erhöht sich die Temperatur des Wasserdampfes auf etwa 700°C, wodurch ein großer Wärmeverlust auftritt. Wenn diese übermäßige Wärmeenergie eingespart werden könnte, würde der Kohleverkokungsprozeß erleichtert, weil bei der gleichen Verkokungszeit eine geringere Ofentemperatur ausreichend ist, wodurch die vom Ofen ausgehende Wärmestrahlung und die Wärme des ausströmenden Gases vermindert werden, so daß die für den Verkokungsprozeß erforderliche Wärmeenergie minimiert werden kann.

Außerdem ergeben sich mehrere Vorteile, wenn die Kohle, bevor diese dem Koksofen zugeführt wird, bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von mindestens 1000°C/min in einem Temperaturbereich von über 300°C bis 30°C unter dem Anfangs-Erweichungspunkt von Kohle erwärmt wird. D. h., wenn beispielsweise Kohle bei einer solchen hohen Erwärmungsgeschwindigkeit auf etwa 400°C erwärmt wird, tritt in der Mikrostruktur bzw. im Feingefüge der Kohle aufgrund einer Temperaturerhöhung eine morphologische Änderung auf, es wird jedoch kein stabiler Zustand der morphologischen Änderung erreicht, das Zwischenteilchenverhalten aktiver Komponenten wird beschleunigt, so daß das Bindungsvermögen der Kohle erhöht wird.

Um die vorgewärmte oder erwärmte Kohle dem Koksofen zuzuführen, muß diese andererseits zu einer Position transportiert werden, die im allgemeinen etwa 20 m über dem Koksofen angeordnet ist. Als Vorrichtungen zum Vorwärmen und Erwärmen der Kohle und zum Transportieren der Kohle zu einer über dem Koksofen angeordneten Position sind Lufttransport-Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtungen bekannt.

Unter diesen Vorrichtungen weist eine Lufttransport- Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm, wie in Fig. 5 dargestellt, ein in einer Höhe von 20 bis 50 m angeordnetes geneigtes Rohr 25 mit einem Durchmesser von mehreren zehn Zentimetern bis mehreren Metern auf, in dem Kohleteilchen oder -partikel zu einer über dem Koksofen angeordneten Position transportiert werden, während diese getrocknet und erwärmt werden (vergl. japanische geprüfte Gebrauchsmusterveröffentlichung (Kokoku) Nr. 34988). Bei der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung wird das einem Kohlezufuhrtrichter 13 zugeführte Kohlepulver vorgetrocknet, in einem vertikalen Turm 12 erwärmt, während es durch einen Trägergasstrom nach oben transportiert wird, und daraufhin in einer Kohlesammel- oder -auffangvorrichtung bzw. einem Kohleabscheider 14 vom Trägergas getrennt. Das Trägergas wird über ein Trägergasrückgewinnungsrohr 17 einem Heißgasofen 15 zugeführt. Das getrennte Kohlepulver wird einem anderen vertikalen Turm 11 von der Unterseite zugeführt und von dem vom Heißgasofen 15 ausströmenden Trägergas durch die Gasströmung nach oben transportiert. Daraufhin erreicht das Kohlepulver über einen schrägen Turm 25 einen über dem Koksofen angeordneten Kohleabscheider 24, in dem das Kohlepulver vom Trägergas getrennt wird. Das getrennte Trägergas wird über das Trägergasrückgewinnungsrohr 27 zum vertikalen Turm 12 zurückgeführt, und das getrennte Kohlepulver wird einem Kohlespeicherbehälter und mit Hilfe eines Kohlezufuhrschlittens dem Koksofen 21 zugeführt. Außerdem sind Lufttransport- Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtungen mit schrägem Turm bekannt, die sich von der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung unterscheiden, wie beispielsweise eine Vorrichtung, die nur einen einzigen schrägen Turm aufweist, wobei der vertikale Turm 11 und der geneigte Turm 25, die in Fig. 5 dargestellt sind, kombiniert sind.

Diese Lufttransport-Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm hat im Vergleich zu einer Vorrichtung mit ausschließlich vertikalen Türmen einen Vorteil darin, daß die Vorwärm- und Erwärmungseinheit an einer vom Koksofen entfernten Position angeordnet werden kann. Diese Anordnung ist in vielen Fällen vorteilhaft, bei denen es schwierig ist, die Kohlevorwärm- und -erwärmungseinheit in der Nähe des Koksofens anzuordnen, weil sowohl auf der Ofendecke als auch an der Maschinen- und Koksseite des Koksofens große sich bewegende Maschinen angeordnet sind und, um den Bewegungsbereich dieser Maschinen nicht zu beeinträchtigen, Gasbehandlungseinrichtungen entfernt vom Koksofen angeordnet sind.

Wenn das geneigte Rohr dieser Lufttransport-Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm um einen Winkel von mindestens 3° bezüglich einer vertikalen Achse geneigt ist, hat ein zum Vorwärmen und Erwärmen der Kohle verwendetes heißes Trägergas jedoch die Tendenz, in dem oberen Bereich des Rohrquerschnitts zu strömen, während Kohlepulver die Tendenz hat, in dem unteren Bereich des Rohrquerschnitts zu fließen (eine Festkörper-Gas-Zweiphasentrennungserscheinung, bei der Kohle und Gas getrennt in zwei Phasen strömen bzw. fließen), oder das Gas tendiert dazu, schneller durch einen Bereich des Turms zu strömen, in dem der Kohlepulveranteil geringer ist, und dazu, in einem Bereich zu verweilen, in dem der Kohlepulveranteil höher ist (eine Erscheinung, bei der das Gas lediglich einen Teil des Rohrquerschnitts durchströmt).

Solche Zustände sind sogenannte Kanal- oder Kanalbildungserscheinungen, bei denen die Verteilung der Gasströmungsgeschwindigkeit im Rohrquerschnitt ungleichmäßig ist, wodurch eine ungleichmäßige Verteilung des Kohlepulveranteils im Trägergas erhalten wird.

Insbesondere nimmt bei einer Vorrichtung mit geneigtem Rohr, dessen Länge den Rohrdurchmesser um das Zehnfache überschreitet, wenn die Strömungsgeschwindigkeit eines Trägergases gering ist und die Neigung des Rohrs mindestens 10° beträgt oder die mittlere Teilchengröße groß ist, der Grad der Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung im Rohrquerschnitt zu, so daß die Kanalerscheinung wesentlich wird. Durch diese Kanalerscheinung ist es schwierig, das Kohlepulver im Rohrquerschnitt beim Transport nach oben gleichmäßig zu verteilen, so daß das Kohlepulver manchmal in der Mitte der Rohrlänge verweilen und sich im Rohr ablagern kann. Dadurch wird nicht nur der Heizwirkungsgrad der Vorwärm- und Erwärmungseinheit vermindert, sondern es können auch andere Probleme auftreten, wie beispielsweise eine Zunahme der Trägergasmenge, eine Änderung der Kohleeigenschaften aufgrund der Verweilzeit des Kohlepulvers in diesem System, eine Erhöhung der Kosten der elektrischen Energie, ein Abrieb der Wand des geneigten Rohrs oder eine Störung im Drucksteuerungssystem.

Um diese Probleme zu vermindern, kann die Gasströmungsgeschwindigkeit erhöht werden. Dadurch werden jedoch die Betriebskosten erhöht, während die Gleichmäßigkeit bzw. Stabilität der Transportleistung nicht wesentlich verbessert wird. Dadurch wird der Kontakt zwischen Gas und Kohlepulver ungleichmäßig, so daß die Wärmeübergangsrate sowie aufgrund einer ungenügenden Erhöhung der Kohletemperatur oder der Temperatur des strömenden Gases der Wärmewirkungsgrad bzw. die Wärmeausnutzung vermindert werden.

Die JP 59-109 537 A betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen, Vorheizen und Transportieren von Kohle. Dazu ist unter anderem eine geneigte Säule, die an ihrem unteren Ende mit einem Ofen und an ihrem oberen Ende mit einem vorgeheizten Kohlelagerbehälter in Verbindung steht, vorgesehen. Der Transport der Kohle erfolgt durch Heißluft, die vom Ofen durch das Rohr strömt. Zur besseren Vermischung der Kohle mit der Heißluft ist eine Mischungseinheit vorgesehen, die eine spiralförmige Führungsplatte in der Mitte der geneigten Rohrsäule aufweist. Am oberen Erde der geneigten Rohrsäule befindet sich ein Zyklon, welcher die Heißluft und die Kohle trennt und sodann die Kohle dem Lagerbehälter zuführt.

Die DE-AS 12 51 914 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorwärmen von staubförmigem Gut, insbesondere von Zementrohmehl. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Kaskadenwärmetauscher, der an seinem unteren Ende mit einem Brennofen und an seinem oberen Ende mit einer Gutzuführung verbunden ist. Das zu erwärmende Gut bewegt sich aufgrund der Gravitationskraft von oben nach unten, während in der Gegenrichtung - von unten nach oben - ein Warmluftstrom das Gut erwärmt. Durch die Anordnung von Staustufen werden im vertikalen Kaskadenwärmetauscher Wirbel erzeugt, durch welche das zu erwärmende Gut schneller bzw. gleichmäßiger erwärmt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Probleme zu lösen und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine Festkörper/Gas-Zweiphasentrennungserscheinung, d. h. eine Kanalerscheinung verhindert wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß eine Lufttransport-Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm bereitgestellt, wobei Kohle, die einem Koksofen als Roh- oder Ausgangsmaterial zugeführt wird, getrocknet wird, um in der Kohle vorhandene Feuchtigkeit zu verdampfen, und daraufhin weiter erwärmt wird, während sie durch ein heißes Trägergas über ein geneigtes, geradliniges Rohr, dessen Neigungswinkel bezüglich einer vertikalen Achse mindestens 3° beträgt, schräg nach oben transportiert wird, wobei an mindestens einer Position des geneigten Rohrs eine Innenausbauchung und/oder ein an der Innenwand des Rohrs gebildeter Vorsprung, oder ein Schulter- oder Halsabschnitt bzw. eine durch Stauchen des Rohrs selbst gebildete Einschnürung, vorgesehen ist, um den Querschnitt eines Strömungsweges im Rohr zu vermindern.

Im derart ausgebildeten Rohrabschnitt, in dem der Querschnitt des Strömungsweges vermindert ist, nimmt die Gasströmungsgeschwindigkeit zu, und die Strömungsrichtung und/oder ein Anstiegswinkel für Kohle und Gas kann durch den Innenvorsprung oder eine ähnliche Struktur direkt geändert werden. Daher wird die Strömung des Gases und der Kohle durch den Innenvorsprung oder Halsabschnitt gestört, um den Grad der Ungleichmäßigkeit der Verteilung des Gases und der Strömungsgeschwindigkeit zu minimieren, wodurch die Kohle nicht dazu tendiert, in der Mitte des Rohrs zu verweilen oder sich dort anzulagern, sondern sich im Rohrquerschnitt gleichmäßig verteilen und gleichmäßig nach oben transportiert werden kann.

Wenn der Rohrquerschnitt durch einen Innenvorsprung oder Halsabschnitt vermindert wird, kann eine sogenannte Strömungsminderungserscheinung auftreten, wobei im Rohr unmittelbar hinter dem querschnittverminderten Abschnitt die Gasströmung gestört werden kann und nachteilige Wirkungen verursacht werden, wie beispielsweise eine Zunahme des Strömungswiderstands oder ein Strömungsstillstand. Insbesondere wenn der halbe Rohrquerschnitt oder ein größerer Anteil des Rohrquerschnitts blockiert ist, so daß die Gasströmungsgeschwindigkeit auf das Vierfache oder auf einen höheren Wert ansteigt, sind die durch eine Verengung verursachten nachteiligen Wirkungen wesentlich.

Daher ist es wünschenswert, das Reduktionsverhältnis der Rohrquerschnittsfläche auf einen Wert von höchstens 1/2 zu begrenzen. Andererseits ist das Reduktionsverhältnis der Rohrquerschnittsfläche durch den Innenvorsprung durch den Neigungswinkel des Heizturms bestimmt. Der Innenvorsprung kann kleiner sein, wenn der Rohrneigungswinkel kleiner ist, wohingegen, wenn der Neigungswinkel des Heizturms größer ist, d. h. näher zur Horizontalen, der Innenvorsprung entsprechend größer ausgebildet sein muß. Daher sollte das Reduktionsverhältnis der Rohrquerschnittsfläche mindestens 3% betragen, so daß die Querschnittsfläche nach der Querschnittsverminderung höchstens 97% der ursprünglichen Querschnittsfläche beträgt.

Obwohl die Strömungen des Gases und der Kohle durch den Innenvorsprung oder den Halsabschnitt gestört werden können und die Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung verbessert werden kann, tritt diese Strömungsstörung nur in einem Bereich auf, der von der Position des verminderten Querschnitts ausgeht und sich bis zu einer Position erstreckt, die von der Position des verminderten Querschnitts in einem Abstand angeordnet ist, der etwa dem zehnfachen Innendurchmesser des geneigten Rohrs entspricht. Strömungsabwärts von bzw. nach diesem Bereich nimmt die Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsverteilung wieder ihren ursprünglichen Wert an. Wenn ein Abstand zwischen zwei benachbarten Innenvorsprüngen (oder Halsabschnitten) den zehnfachen Innendurchmesser des geneigten Rohrs überschreitet, können dazwischen Kohlepartikel verweilen, wodurch der Kohlepulveranteil im Trägergas ungleichmäßig wird. Daher ist es vorteilhaft, die Abschnitte verminderter Querschnitte in Abständen anzuordnen, die höchstens dem zehnfachen Innendurchmesser des geneigten Rohrs entsprechen. Wenn im Gegensatz dazu der Abstand weniger als der dreifache Innendurchmesser des geneigten Rohrs entspricht, wird der Strömungswiderstand größer, wodurch die Transportleistung oder -fähigkeit verschlechtert wird. Daher sind die Abschnitte mit vermindertem Querschnitt vorzugsweise in einem dem drei bis zehnfachen Innendurchmesser des geneigten Rohrs entsprechenden Abstand angeordnet.

Eine alternierende Anordnung der Innenvorsprünge oder Halsabschnitte ist bevorzugt, um die Gas- und die Kohleströmung wirksam zu stören und die Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung zu verbessern, wobei beispielsweise ein Innenvorsprung an der Unterseite und der nächste an der Oberseite des Rohrquerschnitts angeordnet ist, so daß die jeweiligen Innenvorsprünge abwechselnd an entgegengesetzten Positionen angeordnet sind.

Die Gastemperatur nimmt ab, wenn die Kohle getrocknet wird, die in der Kohle enthaltene Feuchtigkeit verdampft und der erhaltene Wasserdampf erwärmt wird, wobei gleichzeitig das Gasvolumen abnimmt. Dabei ergibt sich ein Problem dadurch, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases abnimmt, wenn das Gas im geneigten Rohr nach oben strömt. Der Temperaturabfall in der Lufttransport-Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung liegt allgemein im Bereich von 5 bis 30% für eine dem zehnfachen Rohrinnendurchmesser entsprechende Rohrlänge, obwohl dieser Wert sich gemäß der der Vorrichtung zugeordneten Wärmekapazität oder dem Wärmeübergangswirkungsgrad im Beschleunigungsbereich ändert. Dadurch vermindert sich, wenn das Gas dem unteren Abschnitt des Rohrs mit einer Temperatur von 600°C zugeführt wird, die Gasströmungsgeschwindigkeit im oberen Abschnitt auf 97 bis 80% des im unteren Abschnitt vorhandenen Wertes, wodurch ebenfalls veranlaßt wird, daß Kohlepulverteilchen in diesem Abschnitt verweilen können.

Um den Gastemperaturabfall zu kompensieren, kann der Rohrquerschnitt nach oben stufenweise oder kontinuierlich vermindert werden, wie beispielsweise durch ein nach oben konisch zulaufendes geneigtes Rohr. Wenn die Größe der Kohlepartikel gering ist, findet aufgrund des Kontaktes zwischen Kohle und Gas ein prompter Wärmeaustausch statt, wodurch die Temperatur der Kohlepartikel erheblich ansteigt und diejenige des Gases sich verringert. Wenn der Unterschied zwischen den Temperaturen von Kohle und Gas groß ist, ist die Wärmeübergangsrate üblicherweise höher. Daher kann die Temperaturdifferenz zwischen dem unteren und dem oberen Abschnitt des geneigten Rohrs in einigen Fällen sich ändern, wodurch sich die Gasströmungsgeschwindigkeit ebenfalls ändert. In einem besonderen Fall, bei dem die Länge des geneigten Rohrs größer ist als der zehnfache Innendurchmesser des Rohrs und Kohle auf 400°C erwärmt wird, nimmt jedoch die Gastemperatur von 600°C auf 450°C ab, und die Gasströmungsgeschwindigkeit wird auf etwa 80% vermindert. Oder, wenn Kohle auf 200°C erwärmt wird, sinkt die Gastemperatur von 450°C auf 250°C ab, und die Gasströmungsgeschwindigkeit wird auf etwa 75% vermindert. Daher wird vorzugsweise ein nach oben konisch zulaufendes geneigtes Rohr verwendet, bei dem die Querschnittsfläche der Rohrausgangsöffnung etwa 75 bis 80% der Querschnittsfläche der Rohreingangsöffnung beträgt.

Der vorstehend erwähnte Innenvorsprung oder Halsabschnitt ist außerdem wirksam, um die Rohrquerschnittsfläche lokal zu reduzieren, so daß die Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung verbessert wird. Die Innenvorsprünge können als diskrete Abschnitte im nach oben konisch zulaufenden geneigten Rohr ausgebildet sein.

Die Innenvorsprünge können einen hügel- oder trapezförmigem Querschnitt aufweisen. Eine Hügelform ist zum intermittierenden Stören der Kohle- und der Gasströmung wirksamer, während die Trapezform unter industriellen Gesichtspunkten betrachtet vorteilhafter ist, um durch Abrieb verursachte Störungen während des Betriebs einzuschränken bzw. zu vermindern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1(A) eine Teil-Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit hügelförmigen Innenvorsprüngen;

Fig. 1(B) eine Querschnittansicht entlang der Linie b-b in Fig. 1(A);

Fig. 1(C) eine Querschnittansicht entlang der Linie c-c in Fig. 1(A);

Fig. 1(D) eine Querschnittansicht entlang der Linie d-d in Fig. 1(A);

Fig. 2(A) eine Teil-Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit trapezförmigen Innenvorsprüngen;

Fig. 2(B) eine Querschnittansicht entlang der Linie b-b in Fig. 2(A);

Fig. 2(C) eine Querschnittansicht entlang der Linie c-c in Fig. 2(A);

Fig. 2(D) eine Querschnittansicht entlang der Linie d-d in Fig. 2(A);

Fig. 3(A) eine Teil-Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit tränen- oder tropfenförmigen Innenvorsprüngen;

Fig. 3(B) eine Querschnittansicht entlang der Linie b-b in Fig. 3(A);

Fig. 3(C) eine Querschnittansicht entlang der Linie c-c in Fig. 3(A);

Fig. 3(D) eine Querschnittansicht entlang der Linie d-d in Fig. 3(A);

Fig. 4 eine Teil-Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Innenvorsprünge in einem nach oben konisch zulaufenden Rohr angeordnet sind; und

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht einer herkömmlichen Lufttransport-Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm.

Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Fig. 1(A) bis 1(D) ausführlicher beschrieben. Fig. 1(A) zeigt eine Teil- Querschnittansicht eines geneigten Rohrs 1 in einer Lufttransport-Vorwärm- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm, wobei ein hügelförmiger Vorsprung 4-1 mit geringer Steigung an der Oberseite der Rohrinnenwand an einer Stelle unmittelbar hinter bzw. stromabwärts einer Rohrbiegung oder -krümmung angeordnet ist, an der ein horizontaler Abschnitt 2 des Rohrs 1 (dieser horizontale Abschnitt 2 ist mit einem vertikalen Turm verbunden, durch den ein Trägergas strömt) in einen ansteigenden Abschnitt 3 übergeht. Wie in Fig. 1(B) dargestellt, versperrt der Innenvorsprung 4-1 teilweise den oberen Bereich des Strömungsweges 5 für das Gas und die Kohle, so daß die Fläche des Strömungsweges 5 im Rohrquerschnitt (Querschnitt entlang einer Ebene, die vertikal zur Längsachse des geneigten Rohrs ausgerichtet ist) vermindert wird.

Daraufhin ist ein zweiter Innenvorsprung 4-2 mit einer ähnlichen Struktur wie diejenige des Innenvorsprungs 4-1 und einer etwas größeren maximalen Höhe als diejenige des Vorsprungs 4-1 an der Unterseite der Rohrinnenwand in der Nähe des Innenvorsprungs 4-1 angeordnet. Wie in Fig. 1(C) dargestellt, versperrt der Innenvorsprung 4-2 teilweise den unteren Bereich des Strömungsweges 5 für das Gas und die Kohle, so daß die Fläche des Strömungsweges 5 im Rohrquerschnitt stärker reduziert ist als beim Vorsprung 4-1.

Außerdem ist ein dritter Innenvorsprung 4-3 mit einer ähnlichen Struktur wie diejenige des zweiten Innenvorsprungs 4-2 und einer etwas größeren maximalen Höhe als diejenige des Vorsprungs 4-2 an der Oberseite der Rohrinnenwand in der Nähe des Innenvorsprungs 4-2 angeordnet. Wie in Fig. 1(D) dargestellt, versperrt der Innenvorsprung 4-3 nahezu die gesamte obere Hälfte des Strömungsweges 5 für das Gas und die Kohle, so daß die Fläche des Strömungsweges 5 im Rohrquerschnitt noch stärker reduziert ist als bei den vorangehenden Innenvorsprüngen. Gemäß der vorstehenden Anordnung kann durch das geneigte Rohr 1 die Gasströmungsgeschwindigkeit erhöht werden, wenn das Gas durch das Rohr nach oben strömt, wodurch Kohle durch die Gasströmung nach oben transportiert wird und verhindert wird, daß Kohleteilchen an der Ober- oder der Unterseite der Rohrinnenwand verweilen.

Nachstehend wird unter Bezug auf die Fig. 2(A) bis 2(D) eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 2(A) zeigt ein geneigtes Rohr mit abwechselnd an der Ober- und der Unterseite der Rohrinnenwand angeordneten Innenvorsprüngen 6-1 bis 6-3 mit trapezförmigem Querschnitt. Bei dieser Ausführungsform sind, wie in den Fig. 2(B) bis 2(D) dargestellt, die Höhen der jeweiligen Innenvorsprünge, gemessen von der Rohrinnenwand, im wesentlichen einander gleich, so daß Turbulenzen in der Gasströmung auftreten und der Grad der Ungleichmäßigkeit der Gasströmungsgeschwindigkeitsverteilung minimiert wird.

Die Fig. 3(A) bis (D) zeigen ein geneigtes Rohr mit ausschließlich an der Oberseite der Rohrinnenwand angeordneten Innenvorsprüngen 7-1, 7-2 und 7-3 mit tropfenförmigem Querschnitt. Wie in Fig. 3(A) dargestellt, ist die Form der tropfenförmigen Innenvorsprünge derart, daß diese in der Gasströmungsrichtung betrachtet bis zu einem Maximum oder Scheitelpunkt eine geringere Neigung aufweisen und hinter dem Scheitelpunkt mit einer größeren Neigung zur Rohrinnenwand zurücklaufen, so daß die Form eines asymmetrischen Hügels mit geringer Steigung gebildet wird. Die Maxima der Innenvorsprünge sind höher, je weiter oben der Vorsprung im geneigten Rohr angeordnet ist.

Anders als beim herkömmlichen Verfahren, bei dem in einer von der Richtung der Trägheits- oder Massenkraft verschiedenen Richtung eine Vortriebskraft auf die Kohlepartikel ausgeübt wird, ist bei diesen Ausführungsformen beabsichtigt, den Strömungs- oder Fließzustand zu stören und Turbulenzen zu erzeugen, indem der Rohrquerschnitt auf die vorstehend beschriebene Weise reduziert wird, so daß die Strömungsbewegung des heißen Trägergases intermittierend beschleunigt und verzögert wird bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases intermittierend erhöht und vermindert wird und unmittelbar hinter den Abschnitten mit reduziertem Querschnitt Wirbel entstehen. Durch die intermittierende Beschleunigung bzw. Verzögerung der Gasströmungsbewegung wird verhindert, daß Kohlepartikel verweilen und erreicht, daß ein aktiver Zustand erzeugt wird, bei dem die Kohlepartikel permanent bewegt oder verwirbelt werden. Außerdem nimmt durch einen derartigen Abschnitt mit vermindertem Querschnitt die Geschwindigkeit des Trägergases bezüglich der Geschwindigkeit der Kohlepartikel zu, so daß die Transportgeschwindigkeit der Kohlepartikel erhöht wird. Dieses Verfahren ist vorteilhaft hinsichtlich einer Vereinfachung der Vorrichtung.

Gemäß einer in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsform läuft ein geneigtes Rohr 1 nach oben kontinuierlich konisch zu, so daß der Innendurchmesser D1 der Eingangsöffnung des geneigten Rohrs, der dem Innendurchmesser eines horizontalen Abschnitts 2 gleich ist größer ist als der Innendurchmesser D2 der Ausgangsöffnung des geneigten Rohrs (die Ausgangsöffnung ist mit einem Kohleabscheider verbunden), und das Rohr hügelförmige Innenvorsprünge 8-1 und 8-2 an der Unterseite seiner Innenwand aufweist. Eine konische Form des geneigten Rohrs wird hinsichtlich der Reduzierung der Gasströmungsgeschwindigkeit gewählt, die eine Funktion der Rohrlänge und/oder der Kohleerwärmungstemperatur ist.

Beispiel 1

Kohle, die einem Koksofen zugeführt wird und einen Feuchtigkeitsgehalt von 9% aufweist, wurde durch eine Lufttransport-Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung mit schrägem Turm und einem in Fig. 1(A) dargestellten geneigten Rohr bei einer Produktionsrate bzw. einem Durchsatz von 100 Tonnen/Stunde auf 200°C erwärmt. Das geneigte Rohr hatte einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 1.3 m, und die gewählte Gasströmungsgeschwindigkeit betrug 30 m/sec bei 300°C. Weil der Abstand zwischen der Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung und der Beschickungs- oder Zufuhr bzw. der Entnahmevorrichtung eines Koksofens etwa 25 m betrug, wurde das geneigte Rohr in einer Höhe von 50 m mit einem Neigungswinkel θ von 30° angeordnet. Die Kohleteilchen- oder -partikelbedingungen waren im wesentlichen die gleichen wie diejenigen für normale Kohle und wurden gesteuert, so daß der Anteil von Kohlepartikeln mit einer Partikelgröße von 3 mm oder weniger 85 ± 10% und die obere Grenze der Partikelgröße 10 mm betrug. Partikel mit einer den oberen Grenzwert überschreitenden Größe wurden zerbrochen bzw. zerkleinert, so daß daraus Partikel mit der vorgegebenen Größe gebildet wurden.

Kohle wurde dem geneigten Rohr durch eine Rotationszufuhrvorrichtung bzw. einen Kreiselverteiler von einem im unteren Abschnitt des geneigten Rohrs angeordneten horizontalen Abschnitt 2 zugeführt und getrocknet und erwärmt, während die Kohle durch eine Heiß- oder Warmluftströmung nach oben transportiert wurde. Der Rohrquerschnitt war im wesentlichen kreisförmig und hatte einen Durchmesser von 1.3 m, wobei der Rohrquerschnitt sich jedoch in einem Abschnitt änderte, der von einer Position unmittelbar hinter einer Krümmung des Rohrs ausgeht, an der der horizontale Abschnitt 2 des Rohrs 1 in einen ansteigenden Abschnitt 3 übergeht. Zunächst war ein Innenvorsprung 4-1 an der Oberseite der Rohrinnenwand angeordnet, so daß entlang der Innenwand ein reduzierter Querschnitt über eine Länge von 1.8 m gebildet wird, durch den die Oberseite der Rohrinnenwand leicht gekrümmt ist, wie in Fig. 1(B) dargestellt. Im Rohrquerschnitt, der entlang einer Ebene gebildet wird, die den Scheitelpunkt bzw. das Maximum des Innenvorsprungs 4-1 einschließt, betrug die Höhe des Maximums 40 cm, und ein Gas-Kohle-Strömungsweg 5 hatte die Struktur eines teilweise abgeschnittenen Kreises, wie in Fig. 1(B) dargestellt. Daher war in der Nähe des Maximums des Innenvorsprungs 4-1 die wahre Fläche des Rohrquerschnitts auf 75% reduziert.

Ein zweiter Innenvorsprung 4-2 war an der Unterseite der Rohrinnenwand an einer vom ersten Vorsprung in einem Abstand von 5 m entfernten Position angeordnet (dieser Abstand 5 m entspricht etwa dem 3.8fachen Rohrinnendurchmesser), so daß der Rohrquerschnitt reduziert wurde.

Außerdem war ein dritter Innenvorsprung 4-3 an der Oberseite der Rohrinnenwand an einer vom zweiten Vorsprung in einem Abstand von 5 m entfernten Position angeordnet. Die Höhe des Maximums des Innenvorsprungs 4-3 betrug 65 cm (etwa die Hälfte des Rohrinnendurchmessers).

Kohle, die dem derart aufgebauten Rohr zugeführt wurde, konnte durch eine Gasströmung nach oben transportiert werden, ohne daß Kohleteilchen im unteren Abschnitt des Rohrs verweilten oder eine Ablagerungsschicht im unteren Bereich des Rohrquerschnitts bildeten, obwohl der Strömungswiderstand um etwa 5% erhöht war. Gleichzeitig wurde die Kohle getrocknet und auf 200°C erwärmt, wobei der Wärmeübergangswirkungsgrad 10% höher war als beim herkömmlichen Verfahren.

Beispiel 2

Kohle bei Normaltemperatur und mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 5%, die gebrochen war, so daß deren Partikelgröße 3 mm oder weniger betrug, wurde durch eine Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung mit einem in Fig. 3(A) dargestellten geneigten Rohr behandelt. Das geneigte Rohr dieser Vorrichtung hatte einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Innendurchmesser von 0.6 m und war in einer Höhe von 50 m unter einem Neigungswinkel von 15° angeordnet.

Tropfenförmige Innenvorsprünge 7-1 bis 7-3 waren in Abständen von 4 m (entsprechend dem 6.7fachen Rohrinnendurchmesser) an der Oberseite der Rohrinnenwand angeordnet. Die (einer Beschleunigungszone L entsprechende) mittlere Länge der jeweiligen Innenvorsprünge, gemessen entlang der Rohrwand, betrug 1 m, und die mittlere Höhe der Maxima der jeweiligen Innenvorsprünge im Rohrquerschnitt betrug 200 mm, während die wahren Rohrquerschnittsflächen an den Positionen der jeweiligen Innenvorsprünge auf 92%, 85% bzw. 75% reduziert waren.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde die Kohle zusammen mit einer aufsteigenden Gasströmung dem geneigten Rohr zugeführt, so daß ein Festkörper-Gas-Masseverhältnis von 0.7 erhalten wurde. Die Kohle wurde über eine Rohrlänge von 15 m gleichmäßig durch das geneigte Rohr transportiert und erreichte einen Zustand, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt 0% und die Kohletemperatur 130°C betrug.

Beispiel 3

Kohle bei Normaltemperatur und mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 5%, die gebrochen war, so daß deren Partikelgröße 3 mm oder weniger betrug, wurde durch eine Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung mit einem in Fig. 4 dargestellten geneigten Rohr behandelt. Das geneigte Rohr 1 dieser Vorrichtung lief nach oben konisch zu, so daß der Innendurchmesser D1 der Rohreingangsöffnung 0.6 m und der Innendurchmesser D2 der Rohrausgangsöffnung 0.52 m betrug. Das Rohr 1 war 15 m lang und unter einem Neigungswinkel θ von 15° angeordnet. Das Reduktionsverhältnis der Querschnittsfläche der Rohrausgangsöffnung zur Querschnittsfläche der Rohreingangsöffnung betrug etwa 75%, was ausreichend ist, um eine durch eine Abkühlung des Trägergases verursachte Verminderung der Gasströmungsgeschwindigkeit zu begrenzen.

Außerdem waren an der Unterseite der Innenwand des geneigten Rohrs in einem Abstand von 3 m, der dem 5fachen Innendurchmesser der Rohreingangsöffnung entspricht, Innenvorsprünge 8-1 und 8-2 angeordnet, wie in Fig. 4 dargestellt. Die durch die jeweiligen Innenvorsprünge erhaltene wahre Rohrquerschnittsfläche betrug 85% des Rohrquerschnitts ohne Innenvorsprung.

Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde die Kohle zusammen mit einer aufsteigenden Gasströmung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 30 m/sec und einer Temperatur von 450°C dem geneigten Rohr zugeführt, so daß ein Festkörper-Gas-Masseverhältnis von 0.7 erhalten wurde. Die Kohle wurde über eine Rohrlänge von 15 m gleichmäßig durch das geneigte Rohr transportiert, wobei die Gastemperatur am Rohrausgang 270°C erreichte.

Vergleichsbeispiel 1

Durch die bei Beispiel 2 verwendete Vorrichtung wurde ein Test durchgeführt, wobei das Rohr teilweise blockiert bzw. versperrt wurde, so daß die wahre Rohrquerschnittsfläche höchstens 50% betrug, indem Innenvorsprünge mit maximalen Höhen von 300 bis 350 mm an der Innenwand des Rohrs an dessen Eingangsöffnung angeordnet wurden, dessen Durchmesser 0.6 m betrug. Der berechnete Druckabfall in diesem Bereich betrug 60 mm Ag, und es wurde ein Gebläse verwendet, dessen Durchflußleistung so eingestellt wurde, daß dieser Druckabfall überwunden wurde. Weil der Strömungswiderstand jedoch tatsächlich höher war als der Schätzwert, konnte eine gewünschte Umlaufgasmenge nicht aufrechterhalten werden. Außerdem wurden über die Rohrlänge vermutlich durch Innenrohrschwingungen verursachte Vibrationen erzeugt. Daher wurde der Test aus Gründen der Sicherheit für die Vorrichtung unterbrochen. Um diese Probleme zu lösen, wurden die Innenvorsprünge durch Vorsprünge mit einer geringeren maximalen Höhe ersetzt, so daß die wahre Querschnittsfläche mehr als 50% betrug. Durch einen durch diese modifizierte Vorrichtung durchgeführten Test zeigte sich, daß die über die Rohrlänge auftretenden Vibrationen minimiert werden, ein stabiler Betrieb erreicht wird und wieder eine gewünschte Umlaufgasmenge erhalten wird.

Vergleichsbeispiel 2

Bei der in Beispiel 2 verwendeten Vorrichtung wurde das geneigte Rohr so modifiziert, daß die Innenvorsprünge in einem größeren Abstand von 9 m angeordnet sind der dem 15fachen Rohrinnendurchmesser entspricht. Wie vorstehend erwähnt, ändert sich die Turbulenzwirkung im Rohrinneren entsprechend der Struktur der Innenvorsprünge; je größer die Steigung des Innenvorsprungs ist, desto größer ist beispielsweise die Verengungs- bzw. Einschnürungswirkung, oder je höher die maximale Höhe des Innenvorsprungs ist, desto größer ist die Turbulenzwirkung im strömungsabwärts angeordneten Rohrabschnitt. Es wurde ein Test durchgeführt, bei dem diese Bedingungen konstant gehalten wurden, um den Strömungswiderstand im Rohr zu vermindern, indem der Abstand der Innenvorsprünge wie vorstehend beschrieben vergrößert wird. Dadurch wurde der Strömungswiderstand vermindert, wobei jedoch der Wärmeübergangswirkungsgrad vermutlich aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Kohlepartikel im Rohr und der ungleichmäßigen Gasströmung ebenfalls verringert wurde, und die Gastemperatur am Ausgang des geneigten Rohrs war um 30°C höher und die Kohletemperatur am Rohrausgang betrug 115°C, wobei dieser Temperaturwert im Vergleich zu einem Zustand bei geeigneter Verteilung um 15°C niedriger ist.

Vergleichsbeispiel 3

Bei der in Beispiel 2 verwendeten Vorrichtung wurde das geneigte Rohr so modifiziert, daß die Innenvorsprünge in einem kleineren Abstand von 1.2 m angeordnet sind, der dem doppelten Rohrinnendurchmesser entspricht. Bei einem Test hat sich gezeigt, daß die Turbulenzwirkung wesentlich erhöht war und der Strömungswiderstand ebenfalls zunahm. Der tatsächliche Druckabfall betrug in diesem Abschnitt 90 mm Ag, wobei dieser Wert höher ist als der Schätzwert von 60 mm Ag, und die Periode der über die Rohrlänge auftretenden Schwingung war kürzer und die Amplitude der Schwingung etwas größer.


Anspruch[de]
  1. 1. Trocknungs- und Erwärmungsvorrichtung, in der einem Koksofen als Rohmaterial zuzuführende Kohle getrocknet wird, um darin enthaltene Feuchtigkeit zu entziehen, und weiter erwärmt wird, während sie durch ein unter einem Neigungswinkel von mindestens 3° bezüglich einer vertikalen Achse angeordnetes geneigtes, geradliniges Rohr zusammen mit einem heißen Trägergas schräg nach oben transportiert wird, wobei an mindestens einer Position des geneigten Rohrs ein Innenvorsprung oder Halsabschnitt angeordnet ist, so daß die Querschnittsfläche eines Strömungsweges im Rohr entlang einer senkrecht zur Rohrachse ausgerichteten Ebene, in der ein Scheitelpunkt des Innenvorsprungs oder Halsabschnitts liegt, um 3 bis 50% bezüglich einem Querschnitt des Rohrs an der gleichen Position ohne Innenvorsprung oder Halsabschnitt reduziert ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenvorsprung oder Halsabschnitt hügelförmig ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenvorsprung oder Halsabschnitt einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenvorsprung oder Halsabschnitt tropfenförmig ausgebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehrere Innenvorsprünge oder Halsabschnitte derart angeordnet sind, daß die maximalen Höhen der jeweiligen Innenvorsprünge oder Halsabschnitte größer sind, je weiter oben diese im geneigten Rohrs angeordnet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Innenvorsprünge oder Halsabschnitte abwechselnd an der Ober- und der Unterseite der Innenwand des geneigten Rohrs angeordnet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mehrere Innenvorsprünge oder Halsabschnitte nacheinander an der Oberseite oder der Unterseite der Innenwand des geneigten Rohrs angeordnet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mehrere Innenvorsprünge oder Halsabschnitte in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der dem 3- bis 10fachen Innendurchmesser des geneigten Rohrs entspricht.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das geneigte Rohr nach oben konisch zuläuft.






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