专利名称：在微波加热的流化床中热处理可流化物质的流化床反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于热处理可流化物质的流化床反应器，所述反应器包括至少一个向流化床反应器内供应微波辐射的设施和确定反应器并且具有绝热层的金属反应器壁。
背景技术：
在无反应器壁绝热的情况下通过在流化床反应器中应用微波辐射作为能源来热处理可流化物质的方法和反应器例如可由US 5,972,302获知。但由于缺乏绝热措施，所述方法和反应器的特征是能量利用相对较低。
因此，为了提高效率，US 5,382,412提出了一种生产多晶硅的装置，所述装置包含用微波能量热操作的流化床反应器，其中在反应器壁外侧提供了无机材料绝热层。但在该装置中，为防止在反应器的操作过程中由于物质流化对反应器壁内侧的磨损，必须通过对反应器壁的材料进行特殊选择或者在反应器壁内侧的附加涂层确保反应器壁内侧耐磨。
因此，需要一种用于热处理可流化物质的微波加热的流化床反应器，其与被微波穿透的反应器内部相连的反应器内壁配有耐磨和绝热层。
已经提出了适用于其它用途的设备，其内部配有微波可穿透的绝热层。但由于其特殊要求，其不适合于流化床反应器。例如在DE 44 46531 A1中，已知一种用微波操作的烧结设备，在其内部配有由纤维、泡沫或气凝胶形成并由微波可穿透材料组成的绝热层。对于微波可穿透材料来说，应用含有α-氧化铝且硅含量高达50wt％的氧化物材料，但为了避免绝热材料被微波加热和熔化，所述氧化物材料必须不含杂质。由于其需要高纯度的绝热材料和相关成本，其不适于大规模工业装置如流化床反应器。除此以外，前述材料不能用于流化床反应器内部，因为它们不耐磨。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于热处理可流化物质的流化床反应器，其反应器内壁配有重量相对较轻、耐磨、微波可穿透的耐热和绝热层，并且不是很昂贵。
按照本发明，该目的通过上述的流化床反应器来实现，其中从反应器壁处来看所述绝热层包括含有耐火砖和/或耐火混凝土的外层，以及含有轻质耐火砖和/或绝热混凝土的内层，并且该绝热层提供在反应器壁的内侧。
按照本发明，可能会令人惊奇地发现，按照本发明提供的层序，经常用作烟囱炉和加热箱的燃烧室内衬的轻质耐火砖、绝热混凝土、耐火混凝土和耐火砖对微波穿透是足够的，具体地，其具有足够低的能量密度吸收，以用作流化床反应器的绝热层。从反应器壁处看，由于在绝热层的外层提供硬度和耐磨性足够高的耐火砖和/或耐火混凝土，在反应器内部可以提供绝热层，其会使流化床反应器具有高的能量利用。从反应器壁处看，由于在绝热层的内层提供低密度的轻质耐火砖和/或绝热混凝土，绝热层还具有相对较低的总重量。另外，本发明所基于的知识与现有技术中所描述的有所不同，微波可穿透的绝热层确定地也可以包含明显量的铁氧化物和氧化钙，除非这两个组分每种均以大于1.5wt％的含量存在。按照本发明，绝热层的特征是高的热稳定性，并且具体可以在温度为400-1300℃的反应器操作下应用。
按照本发明，绝热层可以直接施用在反应器内壁上或反应器内壁上沉积的硅酸铝或硅酸钙层上。在后一种情况下，硅酸铝层或硅酸钙层的厚度优选为20-100mm，特别优选为30-70mm，并且极特别优选为约50mm。为了补偿由于绝热层一方面与反应器外壳另一方面热膨胀不同而造成的可能应力，可以在绝热层和反应器壁之间另外设置一个含少于2wt％Fe2O3和CaO的粘接层。
从原理上讲，在外层可提供各种类型可商购的耐火砖，但当所应用的耐火砖含有如下物质时，可以得到特别好的结果40-50wt％的氧化铝，45-55wt％的二氧化硅，1.5-2.2wt％的铁氧化物，和0-1wt％的氧化钙。
另外，耐火砖的密度为2.2-2.6kg/dm3是优选的。当外层包含含有如下物质的耐火砖时，可以得到非常好的结果45wt％的氧化铝，53wt％的二氧化硅，2wt％的铁氧化物，和0wt％的氧化钙。
为了连接耐火砖，可以应用对本领域熟练技术人员来说已知的用于此目的的耐火胶泥，其可能还含有水玻璃，并且为此目的，可以应用例如含47wt％的Al2O3、49wt％的SiO2和1.0wt％的Fe2O3的耐火水泥M 45 S。为了连接耐火砖，以外层为基准，通常应用2-10wt％的耐火胶泥。作为替代，为了连接目的，也可以应用用溶胶粘接的不含水泥且低铁的耐火胶泥。
在本发明的另一个特定实施方案中，除了耐火砖之外或者优选替代耐火砖，外层含有耐火混凝土，并且为此目的，具体可以应用密度为2-2.5kg/dm3的耐火混凝土，并且特别优选的密度为2.1-2.4kg/dm3，和/或其含有50-60wt％的氧化铝，38-44wt％的二氧化硅，0.5-1.2wt％的铁氧化物，和0-4.5wt％的氧化钙，并且极特别优选密度为2-2.5kg/dm3的耐火混凝土，具体优选为2.1-2.4kg/dm3，并且其含有57wt％的氧化铝，
42wt％的二氧化硅，1wt％的铁氧化物，和0wt％的氧化钙。
按照本发明的开发，提出绝热层的外层含有10-100wt％的耐火砖和/或10-100wt％的耐火混凝土，并且特别优选为70-100wt％的耐火砖或70-100wt％的耐火混凝土，每种均为上述组成。
优选地，内层含有密度为0.4-0.8kg/dm3的轻质耐火砖和/或轻质耐火砖含有30-99wt％的氧化铝，5-95wt％的二氧化硅，0-1.5wt％的铁氧化物，和0-16wt％的氧化钙。
当轻质耐火砖含有如下物质时，得到特别好的结果40wt％的氧化铝，47wt％的二氧化硅，1wt％的铁氧化物，和12wt％的氧化钙。
按照本发明的另一个特定实施方案，除了轻质耐火砖之外或优选替代轻质耐火砖，内层还含有绝热混凝土。为此目的，具体可以应用密度为0.4-0.8kg/dm3的绝热混凝土，和/或其含有30-99wt％的氧化铝，5-95wt％的二氧化硅，0-1.5wt％的铁氧化物，和0-16wt％的氧化钙，前提条件是铁氧化物或氧化钙的含量均不超过1.5wt％，并且特别优选的绝热混凝土的密度为0.4-0.8kg/dm3，并且其含有38wt％的氧化铝，50wt％的二氧化硅，1.5wt％的铁氧化物，和
10.5wt％的氧化钙。
为了连接轻质耐火砖和/或绝热混凝土，有可能应用与连接耐火砖所用材料相同的材料。
按照本发明的开发，提出绝热层的内层含有10-100wt％的轻质耐火砖和/或10-100wt％的绝热混凝土，并且特别优选为70-100wt％的轻质耐火砖或70-100wt％的绝热混凝土，每种均为上述组成。
具体地，当绝热层具有前述组成，并且其外层的厚度为50-250mm，特别优选为100-150mm，并且极特别优选为120-130mm，和/或内层的厚度为100-400mm，特别优选为180-280mm，并且极特别优选为220-240mm，且绝热层的总厚度为50-600mm，特别优选为250-400mm，并且极特别优选为380-420mm时，可以得到好的结果。
优选地，具体当反应器的直径超过1m时，本发明的绝热层通过一个或多个由杆和盘组成的锚而与反应器壁的内侧相连。该实施方案的具体优点在于通过锚杆与反应器壁相连的锚的锚盘也可以终止于背离反应器内壁的绝热表面以下10-120mm处，并且优选为50-80mm，并且在绝热层与反应器内壁之间仍可得到充合连接。通过将锚埋入相对于反应器空间而言介电常数增加的绝热层中，场强被锚周围的电介质削弱，从而不希望的场消隐明显降低。因此应当避免突出的锚部件或甚至完全失去绝缘。
为了避免由于场消隐而形成的等离子体，进一步提出应用具有高电导率的金属锚，特别优选为反应器外壳的材料或针对工艺条件设计的其它金属材料如钢，具体为钢253MA(材料号1.4893)，并且其必须具有圆整的金属边。应该完全不考虑应用金属针来强化边或角。特别有用的是在电导材料间没有缝隙的锚，否则，比如说当锚具有腿时，由于电势差，这种缝隙的腿间可能会形成电弧。
为了避免不希望的天线效应，应该有利地应用的锚的锚盘直经为40-150mm，锚杆的长度优选为100-400mm，并且特别优选为180-240mm。另外，锚盘的厚度优选为3-50mm，并且特别优选为6-12mm，因为这种锚基本上不会被微波场所加热，但是可以有效地分散由感应涡流在表面所产生的热。
锚的盘和杆可以以本领域熟练技术人员已知的任何方式相互连接，例如通过焊接或螺纹连接，但是优选的是两组件间的电导连接以及确保具有光滑封闭表面的连接。
如果应用几个锚来使绝热层与反应器内壁连接，则它们相互之间的距离优选为所引入的微波射线波长的倍数加上单个盘的直径。当向反应器中耦合915MHz或2.45GHz的微波时，这对应于每平方米最多9或64个锚。
作为微波射线的供应设施，本发明的流化床反应器原则上可以包含对本领域熟练技术人员来说已知可用于此目的的任何结构，具体通过波导管进行微波耦合、同时用工艺气体吹扫波导管看起来是有利的，这是因为其可以可靠地避免在波导管内的固体沉积，而这些固体沉积将减小波导管的横截面，并吸收部分微波能量。为此目的，将微波射线供应至反应器的设施除了微波源以及延伸通过绝缘层的波导管外，还优选包含工艺气体供应管道。
合适的微波源包括例如磁控管或速调管。也可以应用带有对应线圈或功率晶体管的高频振荡器。微波源发射的电磁波的频率通常为300MHz-30GHz。优选应用的ISM频率为435MHz、915MHz和2.45GHz。最优频率可以在试验操作中针对每种应用适宜地确定。
按照本发明，波导管和工艺气体供应管道完全由导电材料如铜或钢制成，特别是由钢253MA(材料号1.4893)制成，其中波导管的长度可以按需变化，但是由于其功率损失优选低于10m。波导管可以是直的也可以是弯曲的。优选地应用圆形或矩形横截面的片断，其尺寸可以根据所应用的频率而具体调节。
当向反应器中耦合微波时，为了获得高的频率，按照本发明的开发，提出当应用多个波导管时，各波导管可以相对于反应器的垂直轴倾斜5-90°，特别优选为5-75 °，极特别优选为10-20°，并且高度优选为Brewster角。
电磁波是横波，即极化方向、电场强度方向与发射器的两极平行。为了向被热处理的物质中引入尽可能多的微波能量，应使反射最小。正如已知的那样，反射取决于入射角、受激物质的折射率、和极化方向。由于受激物质位于不均匀的流化床格栅上或与引入的气体一起循环于反应器空间中，所以微波射线照射的表面没有清楚定义。当从几个微波源引入微波时，所反射的微波在反应器空间中形成多种模式的驻波。这种模式也可以利用仅来自一个微波源的微波获得，这是因为微波在反应器壁处沿不同的方向反射。这些微波在某些区域通过增强振幅而相互强化，而在其它一些区域又相互抵消。因此，产生了大量驻波。令人惊奇地，已经发现具体当微波相对于反应器的垂直轴的入射角为10-20度时，可以获得最小反射并因而得到最高频率。
为了防止电磁波在进入反应器内部的入口处通过波导管而进入绝热层，波导管的孔区域在面向反应器内部的截面处优选配有基本为环形的隔膜，环形表面优选具有两倍于所引入微波波长值的宽度。因为波导管和工艺气体供应管道均由导电材料制成，因而实现了微波向反应器内的辐射，其中微波辐射被所加热的物质吸收，且没有电磁波进入绝热层中。
具体地，当以单个波导管为基准，操作引入高功率强度的流化床反应器时，有利的是在波导管的孔区域在面向反应器内部的截面处提供喇叭口部分，相对于波导管的纵轴，喇叭口部分优选包括10-75°的角，并且特别优选为20-45°。在该实施方案中，波导管的孔区域还优选在面向反应器内部的截面处提供基本环形的隔膜，环形表面的宽度优选两倍于所引入微波的波长值。以这种方式，可以可靠地防止由于在波导管的孔区域在面向反应器内部的截面处高的功率密度而在流化床的固体颗粒上形成等离子体。
具体地，当在应用中流化床反应器填充有对微波吸收较差至中等的物质时，所述隔膜优选构成与反应器壁相连的封闭圆筒。通过该扁平且封闭的中空圆筒结构(其相对于波导管的倾斜角来说在内部是歪斜的)，实现了以下效果由于环形隔膜表面未被发射至反应器内的能量沿反应器壁移动，并在绝热层中相继散失，不会在从隔膜向绝热层的过渡处诱导场消隐。
按照本发明的另一个实施方案，当在2.45GHz时，在工艺气体供应管道中提供网格尺寸为2×2mm-5×5mm、厚度为1-5mm的格栅，而当在916MHz时，在工艺气体供应管道中提供2×2mm-15×15mm、厚度为3-15mm的格栅。由于这种网格尺寸，使工艺气体供应管道中存在的微波辐射被反射回波导管，并因而进入反应器内部，而工艺气体的流动条件不会受格栅明显影响。
图1给出了按照本发明实施方案的流化床反应器的示意图；图2给出了按照本发明实施方案通过锚使绝热层与反应器壁相连的示意图；图3给出了按照本发明第一个实施方案向流化床反应器中供应微波辐射的设施的示意性截面；图4给出了按照本发明第二个实施方案向流化床反应器中供应微波辐射的设施的示意性截面；图5给出了按照本发明第三个实施方案向流化床反应器中供应微波辐射的设施的示意性截面；图6给出了按照本发明第四个实施方案向流化床反应器中供应微波辐射的设施的示意性截面。
具体实施例方式
图1所示的流化床反应器1由反应器壁2所限定，在其内侧提供由两层组成的绝热层，从反应器壁2处看，内层3由轻质耐火砖组成，而其外层4由耐火砖组成。所述的双层绝热层3、4通过功能性的矿物粘接层与反应器壁2相连，其补偿了一方面由于绝热材料的不同热膨胀以及另一方面由于反应器外壳而产生的可能应力，并且其含有少于2wt％的FeO和CaO(图中未示出)。由反应器壁1、粘接层和两层绝热层3、4形成的这种排布定义了反应器的内部5，在其下部形成了流化床7，其中通过相应的供应管道6注入流化空气而产生并保持所述流化床。
在反应器1的操作过程中，为了加热组成流化床7的固体，通过包括以下各项的设施向反应器内部5中提供微波延伸通过反应器壁2的波导管8、粘接层和绝热层3、4、工艺气体供应管道9以及微波源10。
图2中所示的锚11，其单独提供或者与将绝热层3、4连接到反应器壁2上的粘接层一起提供，由基本为圆柱状的锚盘12和锚杆13组成，这两者均由导电材料制成，并且相互电连接在一起。为了避免不希望的天线效应，锚盘12的直径A为40-150mm，厚度B为3-50mm。锚杆13具有圆形横截面，其与反应器内壁相连，并延伸通过绝热层4、3，所述绝热层4、3具有层厚C、D，锚盘优选终止于绝热层表面下方50-80mm。
用于向流化床反应器1供应微波的设施在图3-6中给出，其中的每一种均包含延伸通过反应器壁2和由两层3、4组成的绝热层的波导管8、微波源10和工艺气体供应管道9。为了防止固体在波导管8中沉积，通过工艺气体供应管道9供应工艺气体而冲刷波导管8，通过所述波导管8，微波源10发射的微波进入反应器内部5，在其中所述微波在被吸收后加热被热处理的物质。为了确保有效耦合微波进入反应器中，相对于反应器的垂直轴，波导管8倾斜一定的角度(α)。在工艺气体供应管道9中，提供基本水平排布的格栅14，其具有一定的网格尺寸，从而确保在工艺气体供应管道9中存在的微波辐射反射回波导管8，并因而进入反应器内部5，而工艺气体的流动条件不会受格栅14明显影响。
在图3-6所示的所有实施方案中，在波导管8的孔区域在面向反应器内部5的截面处，提供由导电材料制成的隔膜15，所述隔膜具有环形横截面，所述环形表面的宽度优选为所引入微波波长的两倍。因为波导管8、工艺气体供应管道9和反应器壁2也由导电材料制成，因此在反应器1内部获得了微波辐射，在其中所述微波被待热处理的物质吸收，没有电磁波进入绝热层3、4中。如图5和6所示，隔膜15构成与反应器壁2相连的封闭圆筒，波导管8从其中延伸通过。具体地，当在应用中流化床反应器的填充物质对微波的吸收为差至中等时，隔膜15的这种设计是有利的，因为这实现了以下效果未被环形隔膜表面发射至反应器内的能量沿反应器壁移动，并在绝热层中相继散失，不会在从隔膜向绝热层的过渡处诱导场消隐。
与图3和5的实施方案不同，图4和图6所示的流化床反应器1在波导管8的孔区域在面向反应器内部5的截面处包括喇叭口部分16，相对于波导管8的纵轴，喇叭口部分优选包括10-75°的角(β)，并且特别优选为20-45°。具体地，以单个波导管8为基准，当操作的流化床反应器1引入高功率密度时，这种设计是有利的，因为由于高的功率密度，可以可靠地防止在波导管8的孔区域在面向反应器内部5的截面处在流化床7的固体颗粒上形成等离子体。
参考标记列表1流化床反应器2反应器壁3绝热层的内层4绝热层的外层5反应器内部6流化空气供应管道7流化床8波导管9工艺气体供应管道10微波源11锚12锚盘13锚杆14格栅15隔膜16喇叭口部分A 锚盘直径
B 锚盘厚度C 绝热层外层的厚度D 绝热层内层的厚度
权利要求
1.一种用于热处理可流化物质的流化床反应器，其包括至少一个向流化床反应器(1)内供应微波辐射的设施和确定反应器并具有绝热层(3，4)的金属反应器壁(2)，特征在于从反应器壁(2)处看，所述绝热层(3，4)具有包含耐火砖和/或耐火混凝土的外层(4)以及包含轻质耐火砖和/或绝热混凝土的内层(3)，并且该绝热层提供在反应器壁(2)的内侧。
2.权利要求1的流化床反应器，特征在于将所述绝热层(3，4)直接提供在反应器壁内侧上、粘接层上或在反应器壁内侧或粘接层上沉积的硅酸铝或硅酸钙层上。
3.权利要求1或2的流化床反应器，特征在于所述外层(4)包含密度为2.2-2.6kg/dm3的耐火砖、和/或含有如下物质的耐火砖-40-50wt％的氧化铝，-45-55wt％的二氧化硅，-1.5-2.2wt％的铁氧化物，和-0-1wt％的氧化钙，并且特别优选地，耐火砖含有-45wt％的氧化铝，-53wt％的二氧化硅，-2wt％的铁氧化物，和-0wt％的氧化钙。
4.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述外层(4)包含的耐火混凝土密度为2-2.5kg/dm3、特别优选为2.1-2.4kg/dm3、和/或含有-50-60wt％的氧化铝，-38-44wt％的二氧化硅，-0.5-1.2wt％的铁氧化物，和-0-4.5wt％的氧化钙，并且特别优选地，耐火混凝土含有-57wt％的氧化铝，-42wt％的二氧化硅，-1wt％的铁氧化物，和-0wt％的氧化钙。
5.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述绝热层(3，4)的外层(4)包含10-100wt％的耐火砖和/或10-100wt％的耐火混凝土，并且特别优选为70-100wt％的耐火砖或70-100wt％的耐火混凝土。
6.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述内层(3)包含密度为0.4-0.8kg/dm3的轻质耐火砖、和/或含有如下物质的轻质耐火砖-30-99wt％的氧化铝，-5-95wt％的二氧化硅，-0-1.2wt％的铁氧化物，和-0-16wt％的氧化钙，并且特别优选地，轻质耐火砖含有-40wt％的氧化铝，-47wt％的二氧化硅，-1wt％的铁氧化物，和-12wt％的氧化钙。
7.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述内层(3)包含的绝热混凝土密度为0.4-0.8kg/dm3、和/或含有-30-99wt％的氧化铝，-5-95wt％的二氧化硅，-0-1.5wt％的铁氧化物，和-0-16wt％的氧化钙，前提条件是铁氧化物或氧化钙的含量都不超过1.5wt％，并且特别优选地，绝热混凝土含有-38wt％的氧化铝，-50wt％的二氧化硅，-1.5wt％的铁氧化物，和-10.5wt％的氧化钙。
8.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述绝热层的内层(3)包含10-100wt％的轻质耐火砖和/或10-100wt％的绝热混凝土，并且特别优选为70-100wt％的轻质耐火砖或70-100wt％的绝热混凝土。
9.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述外层(4)的厚度(C)为50-250mm，特别优选为100-150mm，并且极特别优选为120-130mm，和/或所述内层(3)的厚度(D)为100-400mm，特别优选为180-280mm，并且极特别优选为220-240mm，并且绝热层(3，4)的总厚度为50-600mm，特别优选为250-400mm，并且极特别优选为380-420mm。
10.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于所述绝热层(3，4)通过至少一个由杆(13)和盘(12)组成的锚(11)而与反应器壁(2)的内侧相连。
11.权利要求10的流化床反应器，特征在于所述锚杆(13)与反应器壁的内侧相连，而锚盘终止于在绝热表面下方10-120mm，并且优选为50-80mm。
12.权利要求10或11的流化床反应器，特征在于所述锚(11)由金属制成，优选由反应器外壳的材料制成，并且具有圆整的金属边。
13.权利要求10-12任一项的流化床反应器，特征在于所述锚盘(12)的直径(A)为40-150mm和/或厚度(B)为3-50mm，并且特别优选为6-12mm，和/或锚杆的长度为100-400mm，并且特别优选为180-240mm。
14.权利要求10-13任一项的流化床反应器，特征在于所述锚盘(12)与锚杆(13)电连接。
15.权利要求10-14任一项的流化床反应器，特征在于各锚(13)的排布距离对应于所引入的微波射线的波长的倍数加上单个盘的直径。
16.前述权利要求任一项的流化床反应器，特征在于向反应器(1)中供应微波射线的设施包括微波源(10)、工艺气体供应管道(9)以及延伸通过绝热层(3，4)的波导管(8)，相对于反应器(1)的垂直轴，波导管(8)倾斜5-90°的角(α)，特别优选为5-75°，极特别优选为10-20°，并且高度优选为Brewster角。
17.权利要求16的流化床反应器，特征在于在面向反应器内部(5)的截面处，在波导管(8)的孔区域提供优选基本为环形的隔膜(15)，环形表面的宽度优选对应于所引入微波波长值的两倍。
18.权利要求16或17的流化床反应器，特征在于在面向反应器内部(5)的截面处，在波导管(8)的孔区域提供喇叭口部分(16)，相对于所述波导管(8)的纵轴，所述喇叭口部分(16)优选包括10-75°的角(β)，并且特别优选为20-45°。
19.权利要求16-18任一项的流化床反应器，特征在于所述隔膜(15)构成与反应器壁(1)相连的封闭圆筒。
20.权利要求16-19任一项的流化床反应器，特征在于在工艺气体供应管道(9)中提供格栅(14)，当在2.45GHz时，所述格栅的网格尺寸为2×2mm-5×5mm，厚度为1-5mm，而当在915MHz时，所述格栅的网格尺寸为2×2mm-15×15mm，厚度为3-15mm。
全文摘要
本发明涉及用于热处理可流化物质的流化床反应器，其包括至少一个向流化床反应器内供应微波辐射的设施和确定反应器并具有绝热层的金属反应器壁。为了增加这种反应器的能量利用，按照本发明提出了在反应器壁内侧提供绝热层，其中从反应器壁处看，所述绝热层包括包含耐火砖和/或耐火混凝土的外层以及包含轻质耐火砖和/或绝热混凝土的内层。
文档编号B01J19/02GK101076397SQ200580030677
公开日2007年11月21日 申请日期2005年8月11日 优先权日2004年8月31日
发明者A·施米特, M·伦克尔 申请人:奥图泰有限公司