(57)【要約】本発明は、流動層反応炉（１）で石膏などの微細粒状化固体を50ないし1000℃に加熱する固形物の熱処理方法、およびこれに用いるプラントに関するものである。エネルギー利用効率を改善するため、第１ガスまたはガス混合物を、好ましくは中央のガス供給管（３）を通して下方から、反応炉（１）の混合チャンバ（21）へ導入し、ガス供給管（３）は、少なくとも一部が、流動化ガスを供給することにより流動化する固定式環状流動層（２）に包囲されている。第１ガスまたはガス混合物、ならびに環状流動層（２）用の流動化ガスの流速を調整して、粒子フルード数を、ガス供給管（３）においては１ないし100の間、環状流動層（２）においては0.02ないし２の間、混合チャンバ（21）においては0.3ないし30の間にする。
2006511419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層反応炉（１）において50℃ないし約1000℃の温度に固形物を加熱する、微細粒状化固形物、とりわけ石膏の熱処理方法において、前記反応炉（１）の混合チャンバ（21）に、好ましくは中央のガス供給管（３）を通して下方から、第１ガスまたはガス混合物を導入し、前記ガス供給管（３）は、少なくとも一部が、流動化ガスを供給することにより流動化する固定式環状流動層（２）に包囲され、かつ、前記第１ガスまたはガス混合物、ならびに前記環状流動層（２）用の流動化ガスの流速を調整して、粒子フルード数を、前記ガス供給管（３）においては１ないし100の間に、前記環状流動層（２）においては0.02ないし２の間に、前記混合チャンバ（21）においては0.3ないし30の間にすることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記粒子フルード数を、前記ガス供給管（３）においては1.15ないし20の間にすることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記粒子フルード数を、前記環状流動層（２）においては0.115ないし1.15の間にすることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記粒子フルード数を、前記混合チャンバ（21）においては0.37ないし3.7の間にすることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、前記各反応炉（１）における固形物の流動層高さを調整して、前記環状流動層（２）を前記ガス供給管（３）のオリフィス上端を超えて延ばし、固形物を、前記第１ガスまたはガス混合物中に絶えず導入して、そのガス流によって、前記ガス供給管（３）のオリフィス領域の上方に配置した前記混合チャンバ（21）に運び込むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、粒径２mm未満、とりわけ0.2mm未満の前記微細粒状化固形物、たとえば有水の石膏を、種材料として供給することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、供給燃料の燃焼により上流側の燃焼チャンバ（26）で生成されたホットガスを、場合によっては酸素含有ガス混合物とともに、前記ガス供給管（３）を介して前記反応炉（１）に供給することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、前記固形物を、前記反応炉（１）で150ないし1000℃に加熱することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、空気を、前記反応炉（１）に供給することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（１）における圧力を、0.8ないし10barの間にすることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（１）での熱処理の前に、熱交換器（40、10）と下降流分離器（５、８）とを含む、少なくとも１つの予熱段（32、33）で、前記固形物を、懸濁し、乾燥し、および／または予熱することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法において、前記反応炉（１）での熱処理の後、前記反応炉（１）の前記環状流動層（２）および／または前記反応炉（１）の下流側に設けられた分離器（５）からの生成物を、少なくとも部分的に、冷却システム（34）へ供給し、該システムは、とくに、順次連結した多数の冷却段（35、19）の配列を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記生成物が、冷却段（19）において少なくとも１つの流動層を形成し、そこで空気などの流動化ガスにより、および／または水などの冷媒を備えて流動層に形成される冷却コイル（24、31）により冷却されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の方法において、冷却段（19、17）で加熱された前記ガスを、上流側の冷却段（17）、前記反応炉（１）、前記燃焼チャンバ（26）および／または予熱段（32）に供給することを特徴とする方法。
【請求項１５】
微細粒状化固形物の熱処理用プラントであって、とくに請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法を実行する、熱処理用の流動層反応炉からなる反応炉（１）を含むプラントにおいて、前記反応炉（１）は、ガス供給システムを含み、該システムは、該ガス供給システムを通って流れるガスが、少なくとも部分的に前記ガス供給システムを包囲する固定環状流動層（２）から前記混合チャンバ（21）へ固形物を運び込むことができるように形成されていることを特徴とするプラント。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプラントにおいて、前記ガス供給システムは、前記反応炉（１）の下部領域から実質的に垂直に上方に延びて、前記反応炉（１）の前記混合チャンバ（21）に向かうガス供給管（３）を有し、該ガス供給管（３）は、ガス供給管の周りに少なくとも部分的に延びて、かつ固定式環状流動層（２）が形成されているチャンバによって包囲されることを特徴とするプラント。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のプラントにおいて、前記ガス供給管（３）は、前記反応炉（１）の断面領域に対してほぼ中央に配置されていることを特徴とするプラント。
【請求項１８】
請求項１５ないし１７のいずれかに記載のプラントにおいて、前記反応炉（１）の下流側に固形物分離用の分離器（５）が設けられ、前記分離器（５）は、前記反応炉（１）の前記環状流動層（２）に至る固形物導管（６）、および／または前記冷却システム（34）に至る固形物導管（15）を有することを特徴とするプラント。
【請求項１９】
請求項１５ないし１８のいずれかに記載のプラントにおいて、前記反応炉（１）の前記環状流動層（２）から前記冷却システム（34）に至る固形物導管（14）が設けられることを特徴とするプラント。
【請求項２０】
請求項１５ないし１９のいずれかに記載のプラントにおいて、前記反応炉（１）の環状チャンバには、該チャンバを上部環状流動層（２）と下部ガス分配器（36）とに分割するガス分配器（36）が設けられ、該ガス分配器（36）は、流動化ガス用の供給導管（37、27）に接続されていることを特徴とするプラント。
【請求項２１】
請求項１５ないし２０のいずれかに記載のプラントにおいて、前記反応炉（１）の上流側には、燃料、酸素および／または加熱されたガスのための供給導管（42、28、25）を備えた燃焼チャンバ（26）が設けられ、その排気ガスは、前記ガス供給管（３）を送ることを特徴とするプラント。
【請求項２２】
請求項１５ないし２１のいずれかに記載のプラントにおいて、前記反応炉（１）の下流側には、冷却システム（34）が設けられ、該システムは、直接および／または間接冷却段（35、19）、とりわけ冷却サイクロンおよび／または流動層冷却器を含んでいることを特徴とするプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細粒状化固形物、とりわけ石膏の熱処理方法に関するもので、固形物を流動層反応炉で50ないし1000℃に加熱するものであり、および対応するプラントに関するものである。
【０００２】
このような方法およびプラントは、たとえば石膏のか焼に用いられて、無水の硬石膏を形成する。従来は、このための空気分配器として、ベンチュリ流動層、またはセラミック多孔底を有する流動層が用いられてきた。しかし、これは、狭い調節範囲しか与えられなかった。また、プラントの部分負荷運転時や停止時には、多孔底の機械的特徴がいかに高性能であっても、微細粒状化固形物がその格子を通って脱落する恐れがあった。
【０００３】
固定式流動層または循環式流動層のいずれかを備えた反応炉が、固形物の熱処理に関して一般に知られている。しかし、固定式流動層を用いた場合、か焼段階で達成されるエネルギー利用効率には、改善の必要がある。この主たる原因は、流動化の度合が比較的低いために、質量および熱の伝達が、かなり緩慢であることである。
【０００４】
さらに、ダストを含むガスが固定式流動層の流動化ノズルに入りにくいために、固形物の予熱を、懸濁熱交換器と一体化することがほぼ不可能である。一方、循環式流動層は、流動化の度合が大きいために、質量および熱の伝達条件には好条件であり、懸濁熱交換器との一体化も可能であるが、その流動化の度合の大きさに起因して固形物の保持時間に関して制限される。
【発明の説明】
【０００５】
したがって、本発明は、微細粒状化固形物の熱処理における熱および質量伝達条件を改善することを目的とする。
【０００６】
本発明によれば、この目的は、最初に述べた方法により達成され、ここでは、好ましくはその中央に配置されたガス供給管（中央管）を通して下方から、反応炉の混合チャンバ領域に、第１ガスまたはガス混合物を導入し、中央管は、少なくとも一部が、流動化ガスを供給することにより流動化する固定式環状流動層に包囲され、かつ、そこでは、第１ガスまたはガス混合物、ならびに環状流動層用の流動化ガスの流速を調整して、粒子フルード数を、中央管においては１ないし100の間に、環状流動層においては0.02ないし２の間に、混合チャンバにおいては0.3ないし30の間にする。
【０００７】
本発明の方法において、固形物の保持時間が長いなどの固定式流動層の利点、ならびに優れた質量および熱伝達などの循環式流動層の利点は、熱処理時に、互いに見事に組み合わせることができ、その一方で、両システムの不利点が回避される。中央管の上部領域を通過する場合、第１ガスまたはガス混合物は、環状流動層として称される環状固定式流動層から、混合チャンバへと固形物を運び込み、固形物と第１のガスとの間のすべり速度が大きいため、よく混合された懸濁液が生成され、２つの相の間で最適な質量伝達および熱伝達がなされる。第１ガスまたはガス混合物、および流動化ガスの気体速度ばかりでなく、環状流動層内の層の高さも調節することによって、中央管のオリフィス領域の上方の懸濁液の固形物の荷重を、広い範囲内で変化させることができ、ここでは、中央管のオリフィス領域と混合チャンバの上部出口との間の第１のガスの圧力損失を、１mbarから100mbar の間の状態にすることができる。混合チャンバにおける懸濁液の固形物の荷重が大きい場合、その固形物の大部分が懸濁液から分離し、環状流動層内へ戻る。この再循環は内部固形物再循環と呼ばれ、この内部循環によって循環する固形物の流量は通常、外部から反応炉に供給される固形物の量よりもかなり多い。沈殿しなかった（少量の）固形物は、第１ガスまたはガス混合物と共に混合チャンバから排出される。反応炉内における固形物の保持時間は、環状流動層の高さおよび断面積を選択することによって変化させることができ、調節して所望の熱処理になるようにすることができる。固形物負荷を高める一方でガス流中の固形物の懸濁状態を改善することにより、質量および熱伝達の良好な条件が、中央管のオリフィス領域の上方で得られる。反応炉からガス流によって運び込まれる固形物は、すべて、または少なくとも一部が反応炉に再循環し、この再循環物は好都合なことに固定式流動層に供給される。このようにして環状流動層へ再循環された固形物の流量は、通常、外部から反応炉に供給される流量と同じ桁数になっている。優れたエネルギー利用効率とは別に、本発明による方法の他の利点は、第１のガスまたはガス混合物、および流動ガスの流速を変えることにより、本方法のエネルギーの伝達および質量伝達を目標値に合わせることが、迅速に、容易に、かつ確実にできることにある。
【０００８】
混合チャンバにおけるとくに効果的な熱伝達と、反応炉における十分な保持時間を確保するために、第１ガス混合物および流動化ガスの流速を、好ましくは、その流動層について調節して、無次元数である粒子フルード数（Frp）を、中央管においては1.15ないし20の間、とりわけ3.95ないし11.6の間に、環状流動層においては0.11ないし1.15の間に、および／または混合チャンバにおいては0.37ないし3.7の間にする。粒子フルード数は、それぞれ次の方程式によって決められる。
【０００９】
【数１】
2006511419.tif 000003
ただし、
u = ガス流の効果的速度 m/s
ρs = 固形粒子の密度 kg/m3
ρf = 流動ガスの効果的密度 kg/m3
dp = 反応炉運転中の反応炉内の粒子（または生成された粒子）の平均直径 m
g = 重力定数 m/s2
この方程式を用いる場合、dpは、用いる材料の平均直径（d50）ではなく、反応炉の運転中に形成される反応炉内物の平均直径を表わしており、用いる材料（一次粒子）の平均直径とは両方向において大きく異なるようにできることを考慮すべきである。また、平均直径20ないし30μm の粒子（二次粒子）は、平均直径がたとえば３ないし10μm の非常に微細粒状化材料からでも、たとえば熱処理中に形成することができる。他方、何らかの材料、たとえば鉱石は、熱処理中にか焼される。
【００１０】
本発明のアイデアによる展開法では、反応炉における固形物層の高さを調節することが提案され、環状流動層を、少なくとも部分的に延ばし、たとえば中央管の上部オリフィス端部よりも数センチ超えて、これによって固形物を、第１のガスまたは１ガス混合物の中へ絶え間なく導入し、ガス流によって中央管のオリフィス領域の上方に配置した混合チャンバへ運び込む。このようにして、とくに懸濁液の固形物の負荷が大きいものは、中央管のオリフィス領域の上方でなされる。
【００１１】
本発明の方法によれば、とりわけ、たとえばREA石膏などの有水の石膏は、とくに、無水物としての石膏を得るために、効果的な熱処理を行うことができる。本方法は、とくに、か焼により硬石膏を生産するのに適している。この場合に用いる有水の石膏は微粒子状であり、少なくとも固形物の大部分の粒径は、通常、２mm未満である。粒径が0.2mm未満であれば、とくに効果的な熱処理が可能となる。本方法についてさらに可能な適用法には、内部燃焼ができない場合に、最大約1000℃までの温度の酸化雰囲気において行う、鉱石および鉱物系原料の予備加熱および／またはか焼、および約800℃で行う粘土鉱物のか焼が挙げられる。また、本発明による方法は、約750℃までの温度では、水酸化アルミニウムから過渡的な水和物または酸化物を生産するために用いることができる。
【００１２】
反応炉の稼働に必要な熱量の生成は、この目的に対する当業者に公知のいかなる方法においても行うことができ、たとえば反応炉の内部燃焼が含まれる。また、たとえば約750℃の温度、すなわち反応炉自身における燃料の内部燃焼ができない温度での、予備加熱およびか焼に対して、本発明による方法を使用可能にするため、本発明は更に、必要なプロセス熱を生成する外部燃焼チャンバの使用、および環状流動層を備えた反応炉で処理すべき材料（たとえば石膏）への熱伝達を提案する。この目的のために、反応炉には、中央管を介してホットガスが供給され、それは、上流側の燃焼チャンバにおいて、供給された気体状、液状および／または固形物状の燃料を、必要に応じ酸素を含むガスと混合して、燃焼することにより生成する。酸素の必要量に応じ、空気または、たとえば酸素含量15ないし30%の他の酸素含有ガスを混合してもよい。もちろん、新品の燃料の燃焼により必要エネルギーの一部のみを生成することや、たとえば冷却または他の並行プロセスなどの、プロセスの下流側の段階から無燃料のホット排ガスを供給して残りの必要量を賄うこともできる。プロセスの下流側または並行プロセスからの排ガスの温度が適度に高ければ、これらの排ガスを、反応炉の加熱に用いることもできる。とくに、乾燥など、低い反応炉温度を要するだけの場合には、これが可能である。この場合、内部燃焼や上流側燃焼チャンバを全く不要とすることもできる。
【００１３】
反応炉で行われるプロセスに応じて、プロセス温度は50ないし1000℃とされる。また、50℃未満、とくに約80℃未満の低温度域では、環状流動層反応炉を、原料の乾燥専用に用いてもよい。この場合、温度は、熱処理材料が化学反応を起こす上限値を超えてはならない。本方法の通常の方式では、たとえば、か焼を行う場合、150ないし1000℃間の温度範囲が使用される。
【００１４】
好ましくは、空気を、環状流動層を流動化させるガスとして、反応炉へ供給するとよく、もちろん、本目的に用いられることが当業者に公知である、いかなるガスまたはガス混合物も、本目的のために用いてよい。また、プロセスの下流側の段階または他の並行プロセスからの、除塵および／または冷却排ガスを圧縮して、環状流動層用の流動化ガスとして用いることも有効である。
【００１５】
反応炉を0.8ないし10barの圧力で稼働させて、とくに大気圧が好ましいことが分かっている。
【００１６】
反応炉には、１つ以上の予熱段を上流側に備えてもよく、これは、反応炉における熱処理の前に、固形物、たとえば有水の石膏を、懸濁、乾燥、予熱および／または予熱段にて部分的にか焼し、固形物の有水量の少なくとも一部を除去する。好ましくは、反応炉は、熱交換器と下流側分離器とをそれぞれ含む２つの予熱段を上流側に備えるとよく、第１熱交換器における材料は、第２熱交換器からの排ガスで加熱され、第２熱交換器における材料は、反応炉からの排ガスで加熱される。両熱交換器は、懸濁熱交換器であることが好ましい。このようにして、プロセスに要する全体エネルギー量が、さらに減少する。
【００１７】
本発明の方法によれば、反応炉における熱処理の後、反応炉の環状流動層および／または反応炉の下流側に設けられた分離器からの生成物を、少なくとも部分的に、冷却システムに供給し、これは、とくに、順次連結した多数の冷却段の配列を含む。分離器、特に反応炉の下流に設けられたサイクロンでは、中央管を通過するガス流で排出された固形物（生成物）が分離される。その後、それらは、さらなる処理のために直接に冷却段に供給されるか、または固形物戻し導管を解して反応炉の環状流動層に戻され、また、分離器内で分離された固形物の一部を冷却システムに送り、残りを環状流動層に戻すこともできる。このフレキシブルな固形物の再循環の主たる利点は、反応炉の混合チャンバの領域における懸濁物の固形物負荷を、プロセス要求に合わせて計画的に調節可能とし、たとえ稼働中でも必要なときに変化可能とすることである。
【００１８】
本発明のアイデアによる展開法では、固形物の再循環を調節するために、中央管と、分離器に至る反応炉の排出導管との間の圧力損失を測定し、再循環させる固形物の量を変化させてそれを調節すると有利であることが分かる。このためには、下流側投入装置を備えた流動中間容器、たとえば速度可変式回転翼フィーダーまたはローラー式回転バルブが、とくに便利であることが分かり、再循環させる必要がない固形物は、たとえばオーバーフローさせて排出し、冷却システムに送ることができる。固形物再循環は、反応炉のプロセス条件の一定の維持、および／または反応炉における固形物の平均保持時間の調節の、簡単な手法に寄与する。
【００１９】
高い熱伝達での生成物の穏やかな冷却を、冷却システムで行うことができるのは、冷却すべき生成物が、少なくとも１つの冷却段、好ましくは冷却システムの最終冷却段において、少なくとも１つの流動層、特に固定式流動層を形成する場合であり、それは、空気などの流動化ガスを用いて冷却される。とくに固定式流動層では、たとえば予熱された流動化ガスにより、生成物の保持時間の延長、およびこれによる効果的な冷却を、比較的容易に行うことができる。さらに、生成物の機械的負荷は、固定式流動層では比較的低い。しかし、とくに速い冷却を行う場合には、たとえば上記の反応炉に対応して、固定式流動層と混合チャンバとを備えた冷却段を用いてもよい。この結果、固定式型および循環型の環状流動層を組み合わせるという本発明による基本原理が、微細粒状化固形物の加熱と冷却の両方に使用できることになる。固形物の温度が中央管を通過するガス流よりも高い場合、プロセス開始時に冷却が行われる。とくに固定式環状流動層に形成される、水などの冷媒を備えた冷却コイルによって、さらなる冷却が可能となる。
【００２０】
エネルギー効率を向上させるためには、冷却段での冷却に用いられ、その結果加熱されるガスを、上流側の冷却段、反応炉、燃焼チャンバおよび／または予熱段に供給する。ガスは、多数またはすべての先行の冷却段を、最終冷却段から始めて、カスケード式に通過させることも考えられ、冷却すべき生成物は、既に先行の冷却段で予冷されている。先行の冷却段における生成物は、それぞれの場合において、まだ温度が高いので、各冷却段でさらに冷却され、冷却に用いられたガスは、さらに加熱される。その後、結局は、加熱されたガスを、燃焼チャンバ、反応炉および／または予熱段へ供給することができる。
【００２１】
本発明によるプラントは、とりわけ上述の方法を実施するのに適して、微細粒状化固形物、とりわけ石膏の熱処理を行うための流動層反応炉を構成する反応炉を有し、反応炉は、ガス供給システムを有し、これは、ガス供給システムを通して流れるガスが、少なくとも部分的にガス供給系統を包囲する固定式環状流動層から、混合チャンバへ向けて運び込まれるように形成される。好ましくは、ガス供給システムは、混合チャンバへと延びている。しかし、ガス供給システムは、環状流動層の表面より下方で終端させることもできる。このとき、ガスは、たとえば横方向の開口を介して環状流動層に導入され、その流速によって固形物を環状流動層から混合チャンバへと運び込む。
【００２２】
本発明によれば、ガス供給システムは、反応炉の下部から、好ましくは、反応路の混合チャンバヘと、実質的に垂直に上方に延びている中央管を有し、その管は、チャンバによって包囲され、これは、少なくとも部分的に、中央管の周りに延びて、固定式環状流動層が形成されている。中央管は、ノズルとして開口する出口に形成され、および／またはそのシェル表面に１つ以上の分散開口を有してよく、反応炉稼働中には、固形物は、開口部を通してコンスタントに中央管に絶えず入り込み、第１ガスまたはガス混合物によって中央管を通って混合チャンバに運び込まれる。もちろん、直径または形状が、異なるまたは等しい２本以上の中央管を、反応炉に設けてもよい。しかしながら、好ましくは、少なくとも１本の中央管は、反応炉の断面領域のほぼ中央に配置されるとよい。
【００２３】
好ましい実施例によれば、分離器、とりわけサイクロンは、反応炉の下流側に設けられ、固形物の分離を行う。分離器は、反応炉の環状流動層に至る固形物導管、および／または冷却システムに至る固形物導管を有していてよい。また、本発明によれば、最終生成物を反応炉から直接取り出すことを可能とするために、環状流動層から冷却システムに至る固形物導管を、さらに設ける。
【００２４】
確かな固形物の流動化および固定式流動層の形成を提供するために、反応炉の環状チャンバに、ガス分配器を設けて、チャンバを上部流動層領域と下部ガス分配チャンバとに分割する。ガス分配チャンバは、流動化ガス用の供給導管に接続される。ガス分配チャンバの代わりに、管および／またはノズルから成るガス分配器を用いてもよい。
【００２５】
反応炉で必要なプロセス温度を調節するには、その上流側の後のほうに燃料、酸素および／または加熱されたガスのための供給導管を備えた燃焼チャンバを設け、排気ガスを、反応炉を加熱するための中央管を通過させる。
【００２６】
反応炉の裏側には、冷却システムが配置され、これは、直接および／または間接冷却段、とくに冷却サイクロンおよび／または流動層冷却器を含んでいる。直接冷却段の場合は、冷媒が、直接、冷却すべき生成物に接触する。この場合、他の所望の反応、たとえば生成物の精製を、冷却プロセス中に行うこともできる。さらに、直接冷却段の場合には、冷却作用がとくに優れている。間接冷却段の場合には、冷却は冷却コイル中を流れる冷媒によって行われる。プロセスそのものにおける冷却中に、加熱されるガスを利用可能にするためには、冷却段は、予熱段、混合チャンバ、ガス分配器および／または燃焼チャンバに至る少なくとも１つの供給導管を有する。
【００２７】
本発明によれば、反応炉の環状流動層および／または混合チャンバに、固形物および／または流体の流れを偏向させる手段を設けてもよい。たとえば、直径が中央管と反応炉壁との間である環状堰を、環状流動層に配置して、堰の上端が、稼働中に得られる固形物高さを超えて突出し、一方、堰の下端が、ガス分配器またはその同等物から離して配置されるようにすることができる。したがって、混合チャンバから反応炉壁付近へ排出された固形物は、中央管のガス流により混合チャンバに運び込まれる前に、まず堰の下端部を通過しなければならない。このようにして、固形物の交換が、環状流動層において強制的に行われ、環状流動層にてより均一化された固形物の保持時間が得られる。
【００２８】
本発明を適用したことによる発展、利点および将来性も次の実施例の説明および図から読み取ることができる。記載および／または図示したすべての特徴それ自体または任意の組合せは、特許請求の範囲または以下の記載に含まれるものによらず、本発明の主題に属するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
まず、たとえば石膏などの固形物の熱処理用のプラントおよび方法について、図１に基づいて概要的に記載して、本発明による作用原理を説明する。
【００３０】
固形物の熱処理、特にか焼を行うために、本プラントは、たとえば円筒状の反応炉１を有し、これには、その長手軸とほぼ同軸的に配され、かつ反応炉１の底部から実質的に垂直に上方に延びている中央管３が設けられている。反応炉１の底部の領域には、環状ガス分配器36が設けられ、そこに供給導管27および37が開口している。反応炉１の垂直方向の上部領域では、混合チャンバ21を形成して、排出導管４が配置され、これはサイクロンとして形成された分離器５に向けて開口している。
【００３１】
ここで、固形物が、固形物導管９を介して反応炉１に投入されると、環状流動層２と呼ばれる、中央管３を環状に包囲する層が、ガス分配器36上に形成される。もちろん、反応炉１および中央管３の両方は、環状流動層２の少なくとも一部が中央管３を包囲する限りにおいて、好ましい円形の断面形状以外の他の断面形状を有してもよい。供給導管27および37を通して導入された流動化ガスが  ガス分配器36を通って流れ、環状流動層２を流動化させて、固定式流動層が形成される。本目的のために、ガス分配器36は、比較的多数のノズルを個々に備え、供給導管27および37に接続されるノズル格子として形成されることが好ましい。また、より単純な実施例では、ガス分配器36は、下部に配置したガス分配器チャンバを有する格子として形成されていてもよい。ここで、反応炉１に供給されるガスの流速を調整して、粒子フルード数を、環状流動層２においては約0.3にする。
【００３２】
環状流動層35にさらに固形物を供給すると、反応炉１における固形物の高さは、固形物が中央管３のオリフィスに入り込む程度までに上昇する。また、同時に、気体状、液状または固形物状の燃料を燃焼させることにより上流側の燃焼チャンバ26で生成したホットガスまたはガス混合物が、中央管３を通して反応炉１に導入される。好ましくは、中央管３を通して反応炉１に供給されるホットガスの流速を調整して、粒子フルード数を、中央管３においては約10に、混合チャンバ21においては約3.0にする。
【００３３】
中央管３の上端に比べて環状流動層２の固形物の高さが積み重なっているために、固形物は、中央管３のこの端を越えて流れ出す。中央管３の上端は、直線状または異なる形状、たとえば鋸歯状でもよく、または側面に開口部を有してもよい。ガス流速が速いため、中央管３を通って流れるガスは、上部オリフィス領域を通過するときに、固定式環状流動層２から混合チャンバ21へと固形物を運び込み、これによって良く混合された懸濁物が形成される。混合チャンバ21におけるガス流と固形物との間での徹底した質量および熱伝達によれば、前はより低い温度であった固形物が、それより高い温度のガス流で十分に加熱され、これによってガス流が冷却される効果が得られる。固形物がガス流よりも温度が高い場合には、本発明による原則に応じた手法で、固形物の冷却が行われる。
【００３４】
混合チャンバ21における噴出ガスの膨張によって、および／または反応炉壁の１つへの衝突によって、流速が減少する結果、運び込まれた固形物は急速に減速し、一部は再び環状流動層２へと戻る。これによって、固定式環状流動層２と混合チャンバ21との間の反応炉領域では、固形物循環が得られる。この固形物循環によって、処理すべき固形物を、反応炉１でとくに長い時間をかけて循環するとともに、混合チャンバ21における非常に良好な熱伝達を利用することが可能となる。
【００３５】
混合チャンバ21内の中央管３の上方にてガス流から沈殿することなく環状流動層２へ直接戻った固形物は、ホットガス流で反応炉１から排出導管４を通って上方向に排出され、サイクロンとして構成された分離器５内でガス流から分離され、少なくとも一部が、固形物戻し導管６を通って環状流動層２に戻される。
【００３６】
したがって、処理すべき固形物は、全体としては２通りの経路で環状流動層２に戻し、すなわち、混合チャンバ21でガス流から分離された後に戻るものと、分離器５で分離された後に固形物戻し導管６を通って戻るものがある。
【００３７】
分離器５を離れたガス流の熱量は、多段、ここでは２段の予熱段32および33で利用され、これらは、熱交換器40および10と、その下流側の分離器５および８とにより構成される。この場合、熱処理すべき固形物は、ベンチュリ乾燥器として構成された排出ガス側の最終の熱交換器10に原料として供給される。ここで、供給された固形物は、上流側の（最後から２番目の）予熱段32の分離器５の排気ガス中に懸濁され、乾燥、予熱を経て、固形物導管11を通過して分離器12へ送られる。ここで分離された固形物は、固形物導管13を通って、最後から２番目の予熱段32の熱交換器40に供給され、一方で排ガスは排出される。その後、固形物は、分離器５を離れた排ガスに懸濁され、さらに予熱を経て、固形物導管７を通って分離器８に供給される。ここで分離された予熱固形物は、固形物導管９を通って反応炉１の環状流動層２に供給され、同様に、分離器８の排気ガスは、最終の予熱段32へ送られる。
【００３８】
反応炉１での熱処理の後、ベンチュリ乾燥器10に導入された処理すべき固形物の量に対応した生成物を、環状流動層２から生成物供給導管14を通って直接に、または固形物戻し導管６から生成物供給導管15を通って、冷却システム34へ供給する。この冷却システム34は、たとえば冷却サイクロンまたは流動層冷却器などの熱交換器を備えた直接および／または間接冷却段35および19の配列を含み、これによって、プロセスで必要な空気が予熱され、プロセスではもはや使えない生成物の熱が除去される。各冷却段35および19の形式や数、またはそれらの冷却ユニットは、プロセスに必要な空気の量と冷却すべき生成物の量との比に実質的に応じて選択される。
【００３９】
最初の冷却段35では、冷却すべき生成物が生成物供給導管14および15を通って立上り導管16へ供給される。この立上り導管16および次段の冷却サイクロン17では、生成物が冷却され、その後分離され、固形物導管18を通って多段流動層冷却器19へと供給される。流動層冷却器19用の流動化ガスとして必要な空気は、ブロワに接続された空気導管20を通して流動層冷却器19の各段に供給され、生成物の冷却過程で加熱され、立上り導管16を通って冷却サイクロン17へと送られる。立上り導管16では、生成物を冷却するとともに、流動化空気をさらに加熱する。したがって、ここで、第２冷却段19で加熱された空気は、第１冷却段35を通過する。サイクロン17での除塵の後、加熱された空気（流動化空気）は、供給導管22を通って反応炉１へ送られるか、または供給導管41を通って、ベンチュリ予熱器として形成された熱交換器40に送られる。
【００４０】
多段流動層冷却器19では、生成物は、まず、燃焼空気とは逆の流れで、１段以上の冷却段で冷却され、熱交換器エレメントとして形成された導管23と冷却コイル24とを通って行われる間接冷却と、空気導管20を通って行われ、結果として各段に流動化空気を供給する直接冷却との両方が進行する。間接冷却中に加熱される空気は、供給導管25を通って燃焼チャンバ26へ供給され、また、必要に応じて供給導管27を通って流動化ガスとして環状流動層へも供給される。燃焼チャンバ26では、燃料導管42を介して供給された燃料が、冷却段からの加熱空気、および場合によっては給気装置28を介して供給される追加空気とともに燃焼される。燃焼チャンバの排気ガスは、ガス流導管29を通過して中央管３へ送られ、第１ガスまたはガス混合物として混合チャンバ21へ送られる。
【００４１】
生成物は、所望の最終温度に達するまで、１段以上の流動層冷却器19において、水などの冷媒とは逆の流れで、冷却コイル31を通過して間接的に冷却され、各段の流動化空気によって直接的に冷却される。冷媒は、導管30を介して冷却コイル31に送られ、その後、導管45を介して再び除去される。
【００４２】
本方法に特有の利点は、混合チャンバにおいて固定式流動層（環状流動層）および循環式流動層の利点を最適に利用できることと、同時に、生成物の冷却で生成した廃熱を反応炉に再び供給してエネルギーを節約できることである。
【００４３】
実施例（石膏のか焼）
REA石膏をか焼して無水の硬石膏を形成する方法について、図１に類似するプラントを示す図２に基づいて、以下に詳細に記載する。有水の石膏を、スクリューコンベア38を用いて、たとえば42t/hの体積流量とともに貯蔵バンカ39からベンチュリ乾燥器10へと導入し、サイクロン８からの排ガスによって懸濁し、乾燥し、サイクロンとして形成された分離器12へ固形物導管11を介して供給する。サイクロン12からの排ガスを、バッグフィルタ43を通過させ、ここで完全に固形物を除去し、スタックを介して排ガスブロワ44によって吹き飛ばす。
【００４４】
サイクロン12およびバッグフィルタ43で分離された乾燥石膏を、固形物導管13を介して第２ベンチュリ乾燥器40に送り、さらに加熱し、サイクロン８で排ガスと分離し、固形物導管９を通して反応炉１の流動層２に導入する。燃焼チャンバ26では、温度約1,130℃で約36,000Nm3/hのホットガスを生成し、ガス流導管29を通して反応炉１に送る。ホットガスを、反応炉１で約750℃に冷却する。同時に、反応炉に導入された粒径0.2mm未満の石膏を、約750℃に加熱し、か焼して硬石膏を形成する。固形物を、反応炉１の排ガスとともに戻しサイクロン５（分離器）に移送し、そこで分離し、その大部分を固形物戻し導管６を通して反応炉１の環状流動層２に戻す。
【００４５】
反応炉１に導入された石膏に対応する量の、硬石膏生成物の部分流を、生成物供給導管15を通して、第１冷却段35の冷却サイクロン17の一部である立上り導管16に供給する。硬石膏を、冷却サイクロン17で約600℃に冷却し、固形物導管18を通して流動層冷却器19の最初のチャンバに送る。冷却サイクロン17の排ガスを、供給導管41を通過させてベンチュリ乾燥器40に送る。
【００４６】
流動層冷却器19では、硬石膏を、各段で約80℃に冷却する。生成物の量は、約30t/hである。硬石膏の冷却中、空気導管23を通して供給されるバーナー空気（約14,000Nm3/h）を、熱交換器のバンクで約450℃まで、間接的に加熱するが、この熱交換器は、冷却コイル24として形成され、流動層冷却器19の最初の２つのチャンバに設置されている。この空気を、供給導管25を通して燃焼チャンバ26に送る。燃料としては、約1,300Nm3/hの天然ガスを、燃料導管42を通して燃焼チャンバ26に供給する。さらに、その後の燃焼空気（約21,000Nm3/h）を、給気装置28を通して燃焼チャンバに吹き込む。燃料の量と燃焼空気の量とを調整して、燃焼チャンバ２６の出口において、約1,130℃のホットガス温度と、約750℃の所望の反応炉温度とを、燃焼チャンバ26の出口で達成する。
【００４７】
硬石膏の最終冷却は、流動層冷却器19の最後の２つのチャンバで行われる。冷却水を、導管30を通して、冷却コイル31として２つのチャンバに設置された冷却管のバンクに供給し、導管45を通して戻す。所要の流動化空気を、導管20を通して流動層冷却器19に供給する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の第１の典型的な実施例による方法およびプラントを示すプロセス概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の第２の典型的な実施例による方法およびプラントを示すプロセス概略図を示す。
【符号の説明】
【００４９】
１  反応炉
２  環状流動層
３  中央管
４  排出導管
５  分離器
６  固形物戻し導管
７  固形物輸送用導管
８  分離器
９  固形物輸送用導管
10  熱交換器
11  固形物輸送用導管
12  分離器
13  固形物輸送用導管
14  生成物供給導管
15  生成物供給導管
16  立上り導管
17  冷却サイクロン
18  固形物輸送用導管
19  冷却段、流動層冷却器
20  空気導管
21  混合チャンバ
22  供給導管
23  空気導管
24  冷却コイル
25  供給導管
26  燃焼チャンバ
27  供給導管
28  給気装置
29  ガス流導管
30  導管
31  冷却コイル
32  予備加熱段
33  予備加熱段
34  冷却システム
35  冷却段
36  ガス分配器
37  供給導管
38  スクリューコンベア
39  貯蔵バンカ
40  熱交換器
41  供給導管
42  燃料導管
43  バッグフィルタ
44  排ガスブロワ
45  導管
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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