WO2019052674A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermischen oder thermo-chemischen behandlung von material - Google Patents

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Arian Esfehanian
Peter Vervoort
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Definitions

  • the invention relates to a device for thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcination, of material, in particular of battery cathode material, with a) a housing; b) a process chamber located in the housing; c) a conveyor system by means of which the material or supporting structures loaded with the material can be conveyed in or through the process space in a conveying direction; d) a heating system, by means of which a process space atmosphere prevailing in the process space can be heated up; e) a process gas system, by means of which a process gas can be supplied to the process space, which is required for the thermal treatment of the material.
  • the invention further relates to a process for the thermal or thermo-chemical treatment, in particular for calcination, of material, in particular battery cathode material, in which a) the material or support structures loaded with the material are conveyed through a process space of a device for thermal treatment of the material ( 12); b) a process space atmosphere prevailing in the process space is heated up; c) a process gas is supplied to the process space, which is required for the thermal treatment of the material.
  • a calcination of a pulverulent cathode material takes place in an oxygen-containing atmosphere.
  • the powdery cathode material is, for example, a lithium-containing transition metal precursor which is calcined in the furnace to form a lithium transition metal oxide.
  • Lithiumhydroxid- or lithium carbonate precursor released from the lithium-containing Studentsgangsmetall remplicursor water or carbon dioxide CO2 as exhaust gas.
  • devices and methods of the type mentioned but also for the thermal treatment of other materials are used, which may be, for example, workpieces that must be treated thermally or thermo-chemically under the influence of a process gas accordingly.
  • the temperatures in such ovens can be up to 1200 ° C.
  • the temperature at which the calcination of such materials in practice depends, in a manner known per se, on the material to be treated and the type of furnace used.
  • the process gas is blown into the process space, on the flow path to the material to be treated with the atmosphere already present in the process space.
  • This mixed gas which finally reaches the material, therefore, on the one hand contains the process gas in a lower concentration and, on the other hand, inter alia, exhaust gas already present in the process space atmosphere.
  • the effect of the process gas on the material to be treated can therefore be influenced only a little satisfactory and control and control of the material prevailing atmosphere is difficult.
  • the temperature of the injected process gas is usually considerably lower than the temperature of the atmosphere already in the process space.
  • the injected process gas is often not sufficiently heated before reaching the material to be treated, so that incomplete reactions can result.
  • the cooler process gas can absorb heat from the material carriers or from other components of the conveyor system, which can lead to thermal stresses that can lead to higher wear and possibly premature failure of the components.
  • the process gas has no defined flow direction when reaching the material to be treated and therefore can only influence the atmospheric conditions in the immediate vicinity of the material only undefined. In addition, the process gas takes a long time until it reaches the material.
  • the process gas system comprises a plurality of local injection devices, which are arranged and arranged such that process gas in a plurality of local process gas streams, each with a main flow direction targeted to the material or on the material-laden support structures can be delivered.
  • a considered local process gas stream is directed to a point of impact with respect to the material and / or to a support structure in an axial extension of the associated main flow direction, but that a portion of the considered local process gas flow does not reach this point of impact since
  • the local process gas flow in the main flow direction can expand and / or turbulence and turbulence in the process space can prevent a strictly directed local process gas flow.
  • At least one of the local injection devices comprises a plurality of injection nozzles.
  • a plurality of directed process gas streams can be generated with a local injection device.
  • At least one of the injection nozzles is movable by motor or manually, so that the main flow direction of the process gas stream generated by means of this injection nozzle is adjustable.
  • an adjustment can be made when other support structures must be used or the conveyor system is altered in some other way.
  • the process gas flow guidance can be changed and optimized locally.
  • At least one local injection device is designed as an injection bar.
  • such an injection bar runs horizontally or vertically; but it is also possible with respect to a horizontal and / or vertical plane inclined gradients.
  • At least one local injection device is fastened to the floor or to the ceiling of the housing.
  • At least one local injection device is an injection wall section of an injection wall, which subdivides an interior space of the housing into the process space and a blow-in space, to which process gas can be fed.
  • the injection wall section preferably has a plurality of passage openings, in particular passage slots, which fluidly connect the process space to the injection space.
  • the conveyor system comprises at least one process housing, on which the material or supporting structures loaded with the material can be conveyed in or through the process space in the conveying direction, wherein the process housing comprises at least one injection wall section.
  • the injection wall section of the process housing is designed as a cavity wall with a wall interior, to which process gas can be fed.
  • a particularly effective flow guidance is possible if the process gas system or at least one local injection device are set up in such a way that a plurality of process gas streams can be delivered at different angles relative to the conveying direction and a horizontal reference plane.
  • the conveyor system comprises at least one support structure for the material. This is the case in particular with materials such as the cathode material mentioned.
  • a plurality of support structures form a conveyor frame, which has flow passages through which a respective interior of the support structures, in which the material is accommodated, remains fluidically connected to the environment. In this way it is ensured that the process gas can get to the material in the support structures without obstacles.
  • the local injection devices are set up and adjusted such that at least part of the process gas streams flow through one or more flow passages.
  • the conveyor system has a conveyor track or several conveyor strands along which the support structures are conveyed and that local injection devices of the process gas system and / or heating elements of the heating system are arranged on one or both sides of the conveyor track or at least one conveyor line.
  • the heating system comprises heating elements, which are designed as vertical heating strips.
  • the process gas system is set up such that different local injection devices can be supplied with different types of process gas. Due to the spatially defined delivery geometry of the local injection devices, it is possible to establish different regions with different atmospheres for different treatments in the process space without these different regions having to be spatially separated from one another.
  • the abovementioned object is correspondingly achieved in a method of the type mentioned at the outset by d) delivering process gas in a plurality of local process gas streams, each with a main flow direction, specifically to the material or the support structures loaded with material.
  • a device for thermal treatment is used with some or all features of the device explained above.
  • FIG. 1 shows a vertical longitudinal section of a continuous furnace according to a first
  • Embodiment comprising a heating system comprising a plurality of vertical heating strips, and a process gas system comprising a plurality of local injection devices in the form of vertical injection strips;
  • Figure 2 is a perspective cross-section of the continuous furnace of Figure 1, showing only one furnace section;
  • Figure 3 is a cross-section of the continuous furnace of Figure 1;
  • Figure 4 is a horizontal longitudinal section of a portion of the continuous furnace of Figure 1;
  • Figure 5 shows a cross section of a continuous furnace according to a second embodiment with modified heating system and modified process gas system
  • FIG. 6 shows a horizontal longitudinal section of a section of a continuous furnace according to a third exemplary embodiment with a modified process gas system
  • FIG. 7 shows a cross-section of a continuous furnace according to a fourth exemplary embodiment with a further modified process gas system, which comprises horizontally extending injection strips;
  • Figure 8 is a horizontal longitudinal section of a portion of the continuous furnace of Figure 7;
  • Figure 9 shows a cross section of a continuous furnace according to a fifth embodiment again with vertical injection bars and a modified conveyor system
  • FIG. 10 shows a horizontal longitudinal section of a section of a continuous furnace according to a sixth exemplary embodiment with a further modified conveyor system and a modified arrangement of vertical heating strips and vertical injection strips;
  • 1 1 shows a cross section of a continuous furnace according to a seventh embodiment with a further modified conveyor system;
  • Figure 12 shows a cross section of a continuous furnace according to an eighth embodiment with a re-modified conveyor system and a modified arrangement of vertical heating bars and vertical injection bars;
  • FIG. 13 shows a horizontal longitudinal section of a section of a continuous furnace according to a ninth embodiment with a further modified arrangement of vertical heating strips and vertical injection strips;
  • FIG. 14 shows a perspective cross section of a continuous furnace according to a tenth exemplary embodiment, in which a further modified process gas system comprises a plurality of local injection devices in the form of vertical injection walls;
  • FIG. 15 shows a perspective cross section of a continuous furnace according to an eleventh exemplary embodiment, in which the process gas system comprises an injection wall and an exhaust system has an exhaust wall;
  • FIG. 16 shows a perspective cross section of a continuous furnace according to a twelfth exemplary embodiment, in which the conveyor system comprises a plurality of process casings which have injection walls and / or suction walls;
  • FIG. 17 shows a perspective cross-section of a continuous furnace according to a thirteenth embodiment, in which the conveyor system comprises modified process casings;
  • FIG. 18 shows a perspective view of a process housing according to FIG. 17
  • FIG. 19 shows a perspective view of a process housing according to FIG. 17 in a partial view.
  • FIG. 10 denotes a device for the thermal treatment of material 12.
  • this device 10 is referred to as oven 10 for the sake of simplicity.
  • the material 12 may be, for example, battery cathode material 14 explained in the introduction, which must be calcined in the production of batteries by thermal treatment in the furnace 10.
  • the oven 10 includes a housing 16 having a bottom 16a, a ceiling 16b, and two vertical side walls 16c and 16d which defines an interior space 18 in which a process space 20 is located.
  • the housing 16 thus forms the housing of the process chamber 20.
  • the interior 18 of the furnace 10 may be defined by a separate, the housing 16 surrounding housing.
  • the process space 20 extends between an entrance 22 and an exit 24 of the housing 16, each of which can be closed by a gate 26.
  • an open inlet 22 and an open outlet 24 or, in contrast, a gas-tight double-gate lock may be provided, with which a separation of the atmosphere in the furnace from the ambient atmosphere is ensured.
  • the material 12 is conveyed by means of a conveyor system 28 in a conveying direction 30 through the process space 22; the conveying direction 30 is indicated only in FIG. 1 by an arrow.
  • the furnace 10 is designed as a continuous furnace and concretely as a piercing furnace, in which the conveyor system 28, the material 12 through the furnace 10 passes therethrough.
  • the conveyor system 28 comprises a conveyor track 32, along which several support bottoms 34, so-called trays, are pushed, as it is known in and of itself.
  • only one location floor is provided with a reference numeral.
  • the conveyor system 28 comprises a pushing device 36 with a driven push stamp 38, which pushes a supporting floor 34 from the outside through the inlet 22 into the process space 20.
  • This support floor 34 abuts against the first support floor 34 in the conveying direction 30, which is already in the process chamber 20, whereby all located in the process chamber 20 supporting floors 34 are pushed by one place and in the conveying direction 30 last support floor 34 through the output 24 from the Process chamber 20 is pushed out.
  • the oven 10 may be formed as a batch oven with only one access.
  • individual batches of the material 12 are conveyed into the process space 20 through this access in the conveying direction 30, thermally treated, thereafter removed again in the opposite direction to the conveying direction 30 through the access from the process space 20 and thus in total through the process space 20th promoted.
  • the material 12 can be conveyed as such with the aid of the conveyor system 28 and, for example, stored directly on the support bottoms 34. This is possible, for example, if the material 12 is structural workpieces.
  • support structures 40 are provided, which are formed in the case of the battery cathode material 14 as burners 42, which in English terminology as so-called Saggar be called.
  • These support structures 40 can be placed on top of each other to form a shelf-like conveyor frame 44, wherein in the present exemplary embodiment three support structures 40 loaded with battery cathode material 14 form a conveyor frame 44 and one support floor 34 carries such a support frame 44.
  • two or more than three, for example, four, five, six or more levels per conveyor frame 44 are conceivable; the number of possible levels largely depends on the height of the process space 20 and the support structures 40.
  • the conveyor frame 44 is a separate component, for example of metal or ceramic, which receives the support structures 40 in several levels.
  • the support structures 40 and consequently also the combustion liners 42 are set up so that with through-stacked support structures 40 flow passages 46 remain in the conveyor frame 44, so that a respective interior of the support structures 40 and the burners 42, in which the material 12 is housed, with the Environment within the process chamber 20 fluidly connected remains.
  • a flow passage 46 is present in the circumferential direction of the conveyor frame 44 on each of four existing sides, so that flows in or against the conveying direction 30 and flows transversely thereto reach the support structures 40 and the burners 42.
  • the furnace 10 comprises a heating system 48, which can be heated by means of a process chamber atmosphere 50 prevailing in the process space 20.
  • the heating system 48 comprises a plurality of electrical heating elements 52, which are arranged in the process space 20.
  • the heating elements 52 are formed as vertical heating strips 54 which are along the conveyor track 32 on the side walls 16c, 16d spaced from each other as respective Schumannn réelle 56a and 56b are arranged so that the conveyor track 32 rows between the heating strips 56a, 56b.
  • the vertical heating strips 54 are respectively fixed to the bottom 16 a of the housing 16.
  • the heating power of the heating strips 54 can be adjusted individually or for groups of heating strips 54 for each heating strip 54.
  • the heating strips 54 may also have a plurality of heating sections, which in turn can be controlled separately from each other.
  • the distance of the heating elements 52 to the support structures 40 and the combustion bowls 42 is substantially constant.
  • a good throughput of support structures 40 through the oven 10 is possible because there are only minor or at best no inhomogeneities in the temperature profile in the process space 20, which would have to be taken into account.
  • an exhaust gas 58 may arise, which must be removed from the process chamber 20.
  • Such exhaust gas 58 is only indicated in FIG. 3 and there by short dashed lines and provided with a reference numeral.
  • the exhaust gas 58 produced is, for example, the abovementioned water or carbon dioxide CO2.
  • lithium-containing phases can be released.
  • an exhaust system 60 which comprises exhaust openings 62 in the bottom 16a of the housing 16, via which the exhaust gas 58 can be sucked out of the process space 20.
  • exhaust system 60 also necessary and known per se components such as blowers, lines, filters and the like are not for the sake of clarity specially shown.
  • the suction openings 62 are otherwise shown only in the cross sections in Figures 3, 5, 7 and 9.
  • materials 12 may be thermally treated, in the thermal treatment of which a process gas is required.
  • a process gas In the case of the mentioned battery cathode material 14, for example, oxygen O 2 is required for effective calcination, which is blown into the process space 20 in the form of conditioned air. In this case, therefore, air forms such a process gas.
  • the oxygen O2 contained therein is reacted in the formation of the metal oxide and produces water or carbon dioxide CO2.
  • Other processes may require different process gases. In some processes oxygen-enriched air or pure oxygen is needed, the oxygen content of such process gases can be 21% to 100%. Also, an inert gas can be understood as a necessary for a smooth thermal treatment process gas.
  • the furnace 10 comprises a process gas system 64, by means of which a process gas 66, which is required for the thermal treatment of the material 12, can be supplied to the process space 20.
  • the process gas system 64 comprises a plurality of local injection devices 68, which are arranged and arranged such that process gas 66 can be dispensed in a plurality of local process gas streams 70, each with a main flow direction 72 targeted to the material 12 or loaded with material 12 supporting structures 40, which in FIG 3 is illustrated and as explained above.
  • the process gas system 64 can still provide for a general process gas supply, as it is known per se.
  • process gas 66 can be blown into the process space 20, for example via corresponding blowing devices, such as blow boxes, without this process gas 66 blown in this way being directed onto the material 12 and / or used support structures 40 or conveyor frames 44.
  • the process gas 66, the plurality of process gas streams 70 and the respective associated main flow direction 72 are indicated only in Figure 3 by the local long dashed lines and provided with reference numerals.
  • the local injection units 66 are designed as vertical injection strips 74, which have a plurality of injection nozzles 76 arranged along the vertical injection strips 74.
  • the injection strips 74 are made in practice of metal, in particular stainless steel, or ceramic. In principle, all materials that can withstand the conditions in a corresponding furnace 10 are suitable.
  • the vertical injection strips 74 flank there the conveyor track 32 on the left in the conveying direction 30 and are spaced along the conveyor track 32, so that a row of injection molding 78 is formed, wherein the distances between two adjacent vertical injection bars 74 are the same.
  • the vertical injection strips 74 are each attached to the bottom 16a of the housing 16 and are supplied from there via a generally designated 80 supply device with process gas 66.
  • process gas 66 For this necessary components such as blower, lines, a process gas source and the like are not specifically shown for the sake of clarity.
  • the individual injection nozzles 76 can be formed by simple outlet openings, which can be designed as a circular opening, oval or slot. Alternatively, the injection nozzles 76 may also be included as separate units from the vertical injection bars 74. In this case, the injection nozzles 76 may be movable so that the main flow direction 72 of the output local process gas stream 70 may be individually adjusted for each injection nozzle 76. This is illustrated in FIG. 3 by different courses of the process gas streams 70.
  • Injector nozzles 76 in the form of outlet openings and injection nozzles 76 in the form of separate structural units and also different nozzle geometries can be combined with one another.
  • the injection nozzles 76 can protrude into the process space 20 in relation to the base contour of the associated injection bar 74.
  • the respective settings of the injection nozzles 76 can be fixed in the production of vertical injection strips 74, for example, by corresponding oblique courses of outlet openings through the wall of a vertical injection bar 74 and adapted to be used conveyor structures 40 and resulting conveyor frames 44.
  • the injection nozzles 76 can be formed so that the discharged process gas streams 70 run parallel or different, as illustrated in FIG.
  • some or all of the injection nozzles 76 can also be movable and motorized or at least manually adjustable, so that the local injection devices 68 can be adapted to different support structures 40 or burners 42 and / or support frames 44 in an existing furnace 10.
  • the individual injection nozzles 76 are set up so that in each case a plurality of process gas streams 70 passes through a flow passage 46 of the conveyor frame 44 to the material 12 received by the support structures 40.
  • the process gas streams 70 can be delivered at an angle of 90 ° relative to the conveying direction 30, but also at an angle of less than 90 ° in the conveying direction 30 or against the conveying direction 30 from the local injection devices 68.
  • the process gas streams may be dispensed parallel to a horizontal reference plane or upwardly or downwardly inclined to such a horizontal reference plane from the local injection devices 68. This may be useful, for example, if shading by parts of the support structures 40 or the conveyor frame 44 should be reduced as much as possible.
  • a quasi-chaotic delivery of different process gas streams 70 from individual injection nozzles 76 at different angles to the conveying direction 30 and / or a horizontal reference plane can be particularly effective.
  • the local injection devices 68 are configured such that they can deliver process gas streams 70 at different angles relative to the conveying direction 30 and a horizontal reference plane. For example, if existing local injection devices 68 each have only a single injection nozzle 76, their delivery angles will be different. In general terms, in any case, the process gas system 64 is set up such that process gas streams 70 can be delivered in correspondingly different angles.
  • a plurality of injection nozzles 76 which deliver process gas streams 70 at different angles, may be arranged in the same or in different horizontal planes. Due to the local injection devices 68, it does not matter that the support structures 40 in one and the same conveyor frame 44 or the support structures 40 of two adjacent conveyor racks 44 shade each other. By means of the local injection devices 68, all the support structures 40 and all material 12 in the process chamber 20 are supplied and supplied largely homogeneously with process gas 66, so that the thermal treatment of the material 12 in all support structures 40 is highly reproducible and uniform.
  • process gas 66 reaches the processing location on the material 12
  • the resulting exhaust gas 58 in the present case water or carbon dioxide CO2
  • the process gas streams 70 can thus be effectively sucked out of the process space 20 by the extraction system 60.
  • the local supply of the process gas 66 alters the gas partial pressure in the immediate vicinity of the material 12, which in turn influences the process parameters and thereby influences the chemical and physical properties of the resulting product.
  • process gas 66 By the targeted delivery of the process gas 66, the quality of the product obtained can be increased and in this way the production scrap can be reduced. In addition, process gas 66 can be saved.
  • both the temperature in the environment of the material 12 can be homogenized and a specifically heterogeneous temperature profile on the material 12 can be brought about.
  • These effects may be effected by a corresponding prior conditioning of the process gas 66 by the process gas system 64 as well as by a suitably tuned delivery of the process gas 66 through the local injection devices 68.
  • the delivery of the process gas 66 through the local injection devices 68 can be continuous or pulsed; this is set by a corresponding control and corresponding control means of the process gas system 64.
  • some local injectors 68 may be configured and driven at local injectors 68 to deliver a continuous local process gas stream 70, whereas other local injectors 68 or the other injectors 76 of the local injectors in question 68 may be designed and driven so that they deliver a pulsed local process gas stream 70.
  • the vertical injection strips 74 are offset relative to the vertical heating strips 54 in the direction of the conveying path 32 and are each arranged between two vertical heating strips 54. In this way, on the one hand, the vertical injection strips 74 are arranged close to the material 12 and on the other hand, the vertical heating strips 54 are not shaded in the direction of the conveyor track 32.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a furnace 10.
  • both the vertical heating strips 54 and the vertical injection strips 74 are not attached to the bottom 16a of the housing, but on the ceiling 16b, from which they project down into the process chamber 20.
  • the local injection devices 68 in the form of the vertical injection strips 74 are arranged on both sides of the conveyor track 32, so that there are two rows of injection bars 78a and 78b are formed.
  • the vertical injection strips 74 of the respective row of injection molding elements 78a, 78b are offset relative to the vertical heating strips 54 on the same side of the conveying path 32 again in the direction of the conveying path 32 and are each arranged between two vertical heating strips 54.
  • Figures 7 and 8 show a fourth embodiment of a furnace 10, in which the local injection devices 68 are not formed as vertical injection strips, but as horizontal injection strips 82 which extend in the conveying direction 30 parallel to the conveyor track 32 on both sides thereof.
  • the local injection devices 68 are not formed as vertical injection strips, but as horizontal injection strips 82 which extend in the conveying direction 30 parallel to the conveyor track 32 on both sides thereof.
  • three horizontal injection strips 82 which are arranged at a distance in the vertical direction, form a horizontal strip group 84, which is fed together with process gas 66.
  • the horizontal injection strips 82 of a horizontal strip group 84 are fluidly connected to one another via connecting lines 86.
  • the individual horizontal injection bars 82 are located at height levels that match the height levels of the flow passages 46 in the conveyor racks 44, so that the process gas streams 70 can easily reach the material 12 in the conveyor racks 44.
  • suction openings 62 of the suction system 60 are provided on both sides of the conveyor track 32 in the bottom 16a of the housing 16. This is generally the case in principle when injection strips are present on both sides of the conveyor track 32, since then exhaust gas 58 is also displaced from the conveyor frames 44 in both directions transversely to the conveying direction 30.
  • suction openings 62 may be provided at all suitable positions in the oven 10, also in the ceiling and also in different positions in different oven areas.
  • the suction openings 62 plays in particular the density of the exhaust gas 58th a role; for exhaust gases 58 which are lighter than air, there is an increased position of the suction openings 62, in particular also in the ceiling, for exhaust gases 58, which are heavier than air, the exhaust openings 62 in deeper areas of the furnace 10 and in particular in the bottom thereof 16a provided.
  • individual horizontal injection strips 82 do not extend over the entire length of the process space 20. Accordingly, there are several horizontal injection strips 82 at the same height in the conveying direction 30 or correspondingly more horizontal strip groups 84 present.
  • the horizontal injection bars 82 may be made of the same materials as the vertical injection bars 74.
  • Figure 9 illustrates a fifth embodiment in which the conveyor track 32 and the support floors supported thereon 34 are formed so wide that on a support floor 34 two conveyor racks 44 with respect to the conveying direction 32 side by side place.
  • FIG. 10 illustrates a modification in which the conveyor track 32 is divided into two conveyor lines 32a, 32b, on each of which located conveyor racks 44 can be conveyed independently on each one designed for a conveyor frame 44 supporting floor 34.
  • the conveyor system 28 at the entrance 22 of the housing 16 for each conveyor line 32a, 32b, a separate thrust device 36 with optionally a respective separate push temple 38, which can not be seen in Figure 10 due to the cutout.
  • the conveying path 32 and the supporting bottoms 34 conveyed thereon are widened once again, so that a supporting bottom 34 can accommodate three conveying frames 44 next to each other.
  • the conveyor track 32 can here be subdivided into three separate conveyor tracks, on each of which conveyor frames 44 are conveyed independently of one another on a supporting floor 34 designed for a conveyor frame 44 can be.
  • the conveyor system 28 at the entrance 22 of the housing 16 for each of the three conveyor strands a separate pusher 36 with optionally a respective separate push stamp 38th
  • FIG. 12 An eighth embodiment illustrated in FIG. 12 adopts this concept, wherein the three conveying strands 32a, 32b, 32c present there are spaced apart in the direction transverse to the conveying direction 30, so that there is a first intermediate region 88a between the conveying strands 32a and 32b and a second intermediate region 88b are formed between the conveyor lines 32b and 32c.
  • the heating strip rows 56a and 56b along the side walls 16c and 16d of the housing 16 there are two further rows of heating strips 56c and 56d with vertical heating strips 54 in the intermediate regions 88a and 88b, respectively.
  • first intermediate region 88a two rows of injection rows 78a and 78b with vertical injection strips 74 are arranged, of which the first row of injection bars 78a is associated with the first conveying line 32a, left in the conveying direction 30, and the second row of injection bars 78b is associated with the second conveying line 32b in the conveying direction 30.
  • second intermediate area 88b a third row of injection bars 78c is correspondingly arranged, which is associated with the third in the conveying direction 30 right conveyor line 32c.
  • the injection strips 74 are in each case arranged offset relative to the heating strips 54 in the intermediate regions 88a, 88b in the direction of the respective associated conveying strand 32a, 32b or 32c.
  • the suction openings 62 of the suction system 60 are provided in the side walls 16 c, 16 d of the housing 16 in this embodiment.
  • FIG. 13 illustrates a ninth exemplary embodiment in which vertical heating strips 54 and vertical injection strips 74 are arranged alternately and without such an offset in the intermediate regions 88a and 88b.
  • the vertical heating strips 54 in the first intermediate region 88a in the conveying direction 30 always alternately act to the right and left on the conveyor strands 32a and 32b and in the second intermediate region 88b in the conveying direction 30 alternately to the right and left on the conveyor strands 32b and 32c.
  • the vertical injection strips 74 in the first intermediate region 88a always alternate their process gas streams 70 in the conveying direction 30 to the right and left in the direction of the delivery lines 32a and 32b and in the second intermediate region 88b in the conveying direction 30 always alternately to the right and left in the direction of the conveyor strands 32b and 32c.
  • the conveyor racks 44 on the individual conveyor lines 32a, 32b and 32c are conveyed offset relative to one another in the conveying direction 30.
  • a corresponding intermediate region can also be present in the case of the two delivery lines 32a and 32b in the exemplary embodiment according to FIG. 10, in which heating elements 52 of the heating system 48 and local injection devices 68 of the process gas system 64 can then also be arranged analogously.
  • suction openings 62 of the extraction system 60 can also be provided there.
  • largely symmetrical flow conditions can be generated by supplied from the side process gas 66 and the exhaust gas 58 is sucked in the middle.
  • the process space 20 has at least two process areas. Located in these process areas.
  • the injection devices 68 are then supplied by the process gas system 64 independently of each other with the process gas required for the respective process area.
  • the parameters required for the operation of the respective local injection devices 68 in the respective process areas can be set independently of each other. These include, in addition to the type of the respective process gas, among other things its temperature, the discharge pressure and the volume delivered per time unit.
  • heating elements 52 and local injection devices 68 may be combined into a local heating and injection device. In this way it is also possible, inter alia, that process gas 66 still has a thermal influence on its exit from the injection nozzles 76.
  • the heating element 52 are formed as vertical heating strips 54. In not specifically shown variations may alternatively or additionally be provided horizontal heating strips. Such horizontal heating strips can extend over the entire length of the process space 20. In one variant, a plurality of horizontal heating elements may be arranged successively in the conveying direction 30, which each extend only over a portion of the process space 20. In the vertical direction in each case a plurality of horizontal heating strips can be provided, each with a distance from each other.
  • Local injection devices 68 which are arranged at the inlet 22 or at the outlet 24 of the housing 16, can be used to establish a respective flow lock, there to prevent mixing of the process gas atmosphere 50 in the process chamber 20 with the ambient atmosphere outside the housing 16 or at least reduce it.
  • the local injection devices 68 may also be arranged at irregular intervals or groupings in the conveying direction 30. This is particularly advantageous if the thermal treatment is to take place, for example, in successive thermal stages.
  • the process gas system 64 can also be set up such that different local injection devices 68 can also deliver different process gas streams 70, which differ in the volume delivered per unit time and / or in their temperature.
  • the local injection devices 68 are arranged on the side walls 16c and 16d and / or in the intermediate regions 8686a and 86b on a geometric straight line which runs perpendicular to the conveying direction 30.
  • the local injection devices 68 can also be arranged offset relative to one another in relation to such geometric degrees. This is the case, for example, in FIG. 13 for the local injection devices 68 in the intermediate regions 86a, 86b in comparison to the local injection devices 68 on the side walls 16c, 16d.
  • Opposite local injection devices 68 in the intermediate regions 86a, 86b in turn are each located on a common such geometric straight line.
  • Opposite local injection devices 68 on the sidewalls 16c, 16d are also located on a common such geometric straight line, but different from the geometric straight line relative to the local injection devices 68 in the intermediate regions 86a, 86b. Thus, the distances of the local injection devices 68 to the support structures 40 may be different.
  • the vertical injection bars 74 may also have injection nozzles 76 which deliver the respective process gas streams 70 in different directions.
  • the local injection devices may be guided through or integrated into the side walls 16c, 16d of the housing 16. Corresponding injection strips 74 can also run vertically or horizontally ver. Also, injection walls are conceivable which are provided, for example, in the form of ceramic plates or masonry between the conveyor track 32 or the conveyor lines 32a, 32b or 32a, 32b, 32c and the heating elements 52.
  • local injection devices 68 can be provided by the support floors 34 or the support frames 44 are carried.
  • the local injection devices 68 may also be designed in such a way that process gas streams 70 are generated by a targeted suction, through which process gas 66 is sucked to the support structures 40 and the material 12.
  • suction tubes may be provided, which come close to the conveyor track 32 and the support structures used 40 or support frames 44. This exhaust gases 58, which are formed on the material 12, are sucked directly, where there is a negative pressure and at another point in the process chamber 20 blown process gas 66 flows selectively.
  • FIG. 14 illustrates a tenth embodiment of a furnace 10 in which the local injection devices 68 of the process gas system 64 are formed by injection wall sections 90 of injection walls 92, which have multiple injection nozzles 76, respectively.
  • the injection walls 92 are made of refractory material.
  • injection walls 92 flank the conveyor track 32 on both sides and divide the interior space 18 into the process space 20 and respectively the process space 20 flanking injection chambers 94, which belong to the process gas system 64 and übei the supply device 80 are fed with process gas 66.
  • injection openings 96 are provided in the bottom of the flow spaces 94.
  • the injection nozzles 76 are formed as through holes 98 at the injection wall portions 90 of the injection walls 92.
  • the injection nozzles 76 in the injection wall sections 90 may also be provided as separate structural units, which may also be movably mounted in the injection wall sections 90.
  • the injection nozzles 76, i. the through-openings 98 connect the injection chambers 94 fluidically to the process space 20 arranged therebetween.
  • the heating elements 52 are also located in the injection chambers 94 so that they also act on the process gas 66 in the flow spaces 94. Process gas 66 then enters the process space 20 from each through-passage 98 as the respective process gas stream 70.
  • heating elements 52 may also be present in the process space 20.
  • the wall material and the wall construction of the injection walls 92 may be selected according to criteria in which the heat energy of the heating elements 52 passes largely lossless and lossless in the process chamber 20 and the material 12, which is arranged in the conveyor frame 44.
  • the through holes 98 in the injection wall portions 90 are formed as through slots 100 that are horizontal.
  • the individual passage slots 100 are located at height levels that match the height levels of the flow passages 46 in the conveyor racks 46 so that the process gas streams 70 can reach the material 12 there.
  • FIG. 14 just as in FIGS. 15 and 16, only a single support structure 40 is shown on each support floor 34. Other geometries and orientations of the through openings 98 are possible.
  • This furnace 10 now works in such a way that the process gas 66 is injected through the supply device 80 into the injection chambers 94, flows through the injection chambers 94 and then enters the process chamber 20 from both sides through the injection nozzles 76 of the injection walls 92 as process gas stream 70, where the process gas streams 70 each pass through a flow passage 46 of the conveyor frame 44 through to the material 12 received by the support structures 40.
  • the through-openings 98 in the injection walls 92 may also be configured such that the process gas streams 70 are parallel to a horizontal reference plane or inclined up or down to such a horizontal reference plane from the local injection devices 68, i. here the injection wall sections 90 of the injection walls 92, are discharged.
  • FIG. 15 shows a modified eleventh exemplary embodiment in which injection-wall sections 90 form an injection wall 92 only on one side of the conveyor track, whereby a blow-in space 94 for process gas 66 is also formed only on this side next to the process space 20.
  • suction wall 102 On the opposite side of the conveyor track 32 there is a suction wall 102 which separates the process space 20 from a suction space 104.
  • suction chamber 104 In the suction chamber 104 are the suction openings 62 of the suction system 60.
  • the suction wall 104 has a plurality of passage openings 106 which fluidly connect the process space 20 with the suction space 104.
  • injection wall 92 and the suction wall 102 and their passage openings 98 and passage openings 106 are structurally identical.
  • the Description Injection wall or suction wall results from the technical function with respect to the process space 20.
  • both an injection wall 92 and an exhaust wall 102 are throughflow walls 108.
  • heating elements 52 are arranged in a heating strip row 56a only in the injection space 94. In a modification, heating elements 52 may also be present in the suction space 104 and / or in the process space 20.
  • the injection space 94 is supplied with process gas 66 by means of the supply device 80, which passes through the injection wall 92 into the process space 20 and flows there to the material 12 or through the conveyor frame 44. From the process space 20, exhaust gas 58 and excess process gas 66 flow through the passage openings 106 in the suction wall 102 into the suction space 104, from which they are then drawn off via the suction openings 62.
  • Corresponding injection walls 92 and / or suction walls 102 can also be present in the exemplary embodiments according to FIGS. 9 to 13 in the conveying direction 30 to the right and left next to one of the plurality of delivery lines 32a, 32b or 32a, 32b and 32c.
  • a respective injection space 94 and on both sides next to the multi-strand conveyor track 32 each have a suction 104 may be formed.
  • FIG. 16 illustrates a twelfth exemplary embodiment of a furnace 10.
  • the conveyor system 28 comprises a plurality of process casings 110, with which the support structures 40 with the material 12 are conveyed through the process space 20.
  • a process housing 10 includes, in the furnace 10 according to FIG. 16, one of the support bottoms 34 and two injection wall sections 90, which are carried along by the support bottoms 34.
  • two injection wall sections 90 attached to both sides in the direction perpendicular to the conveying direction 30 on the support bottoms 34, so that the injection wall sections 90 move together with the support floor 34 through the process space.
  • the injection wall sections 90 are guided on the ceiling 16 b, for which they run there in guide rails 1 12.
  • housing does not mean that they are closed in process housings 110. In the present exemplary embodiment, they are open, for example, at least at the front sides pointing in or counter to the conveying direction 30.
  • the injection wall sections 90 are thus arranged stationary.
  • the through openings 98 are thus always in the same position and orientation with respect to the support structures 40 or with respect to the flow passages 46, when a plurality of support structures 40 are stacked on the support floor 34.
  • the material 12 in each position of the support structures 40 in the process chamber 20 can always be acted upon in the same and reproducible extent with process gas 66.
  • the carrying structures 40 are arranged in the conveying direction 30 in regions between two adjacent passage openings 98 are located, so that in these redesignen less process gas 66 reaches the material 12 than in the redesignsituationen in which the support structures 40 are located next to the passage openings 106.
  • the process housing 1 10 belongs originally to the transport system 28, but includes with the injection wall sections 90 also components that are associated with the process gas system 64.
  • a process housing 1 10 may have only one injection wall section 90 of an injection wall 92, while on the opposite side, a corresponding injection wall section of a then formed overall suction wall 102 is present.
  • the process housing 1 10 is traversed by process gas 66 and exhaust gas 58 is sucked through the suction wall 102.
  • the process housing 1 10 also includes components that are associated with the exhaust system 60.
  • FIG. 17 shows a thirteenth embodiment of an oven 10 is shown, in which the injection wall sections 90 of the injection wall 92 of the process housing 1 10 are formed as a cavity wall 1 14 with a wall interior 1 16, which fluidly via the through holes 98 with the process chamber 20 in connection stands.
  • the hollow walls 1 14 have at their lower narrow edges in each case a passage 1 18 through which process gas 66 can flow into the wall interior 1 16. Both hollow walls 1 14 serve in this case as injection wall 92nd
  • the process gas system 64 includes at the bottom 16a of the housing 16 for each cavity wall 1 14 a groove 120 with a U-shaped cross section, on the upper edges of the hollow walls 1 14 rest slidably.
  • the hollow walls 1 14 have in the conveying direction 30 at the front and rear downwardly projecting sealing tongues 122, which protrude into the respective groove 120 and correspond to the cross section of the channel 120 are complementary.
  • a movable inlet chamber 124 for process gas is then formed in the channel 120, which moves with the process housing 110.
  • the sealing tongues 122 do not hermetically seal these inlet chambers 124, but instead a gap remains between the edges of the sealing tongues 122 and the feed channel 120.
  • process gas 66 flowing into the inlet chamber 124, so that process gas 66 then flows from the inlet chamber 124 through the passage 1 18 into the wall interior 16 of the cavity wall 14 and from there through the through openings 98 in FIG the process space 20 and the material 12 in the support structures 40 passes.
  • the grooves 120 have openings in the conveying direction 30 at regular intervals, which are not visible in the figures. These openings of the grooves 120 are arranged in the conveying direction 30 at a distance in which it is ensured that a moving input chamber 124 always covers at least one opening when the process housing 110 is conveyed through the process space 20. Process gas 66 can be blown through these openings into the feed channels 120, which then flows through the moving inlet chamber 124 into the cavity wall 14.
  • the process chamber 20 is flanked by heating chambers 126, in which the heating elements 52 are arranged.
  • the hollow walls 120 are constructed so that the heat energy of the heating elements 52 passes largely lossless and without delay in the process chamber 20 and the material 12, which is arranged in the conveyor frame 44.
  • the process gas 66 can provide the necessary temperature in the process space 20, for which purpose the process gas 66 is conditioned accordingly and heated into the feed chutes 120.
  • the exhaust system 60 sucks exhaust gas 58 in the embodiment described here again via suction openings 62, which are arranged in the ceiling 16 b of the housing 16 in the region of the process chamber 18.
  • only one of the two hollow walls 1 14 can serve as an injection wall 92, while the other hollow wall 1 14 is designed as a suction wall 102.
  • no process gas 66 is blown through the openings of the channel 120 belonging to this exhaust wall 102, but exhaust gas 58 and excess process gas 66 are exhausted.
  • the hollow walls 1 14 may also have the passages 1 18 corresponding passages at the top, in which case on the ceiling 16b of the housing 16 to the hollow walls 1 14 complementary grooves are present corresponding to the grooves 120 and have matching openings that are used to inject process gas 66 or to exhaust gas 58. In a corresponding manner, the hollow walls 1 14 then upwardly projecting sealing tongues.
  • hollow walls 1 14 between two support structures 40 may be present.
  • a central cavity wall 1 14 then through openings 98 to either side or there are two hollow walls 1 14 arranged side by side, the through-openings 98 facing in opposite directions.
  • the process housing 1 10 above have a ceiling, which is indicated by dashed lines in Figure 19.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung, insbesondere zur Kalzinierung, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), umfasst ein Gehäuse (16), indem sich ein Prozessraum (20) befindet. Das Material (12) oder mit dem Material (12) beladene Tragstrukturen (40) sind mittels eines Fördersystems (28) in einer Förderrichtung (30) in oder durch den Prozessraum (20) förderbar. Eine in dem Prozessraum (20) herrschende Prozessraumatmosphäre (50) ist mittels eines Heizsystems (48) aufheizbar. Es gibt ein Prozessgassystem (64), mittels welchem dem Prozessraum (20) ein Prozessgas (66) zuführbar ist, welches für die thermische Behandlung des Materials (12) erforderlich ist. Das Prozessgassystem (64) umfasst mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen (68), welche derart angeordnet und eingerichtet sind, dass Prozessgas (66) in mehreren lokalen Prozessgasströmen (70) mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung (72) gezielt auf das Material (12) oder die mit Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) abgebbar ist. Außerdem ist eine Verfahren zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung von Material (12) angegeben, bei dem Prozessgas (66) in mehreren lokalen Prozessgasströmen (70) mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung (72) gezielt auf das Material (12) oder die mit Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) abgegeben wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung von Material
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung, insbesondere zur Kalzinierung, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial, mit a) einem Gehäuse; b) einem in dem Gehäuse befindlichen Prozessraum; c) einem Fördersystem, mittels welchem das Material oder mit dem Material be- ladene Tragstrukturen in einer Förderrichtung in oder durch den Prozessraum förderbar sind; d) einem Heizsystem, mittels welchem eine in dem Prozessraum herrschende Prozessraumatmosphäre aufheizbar ist; e) einem Prozessgassystem, mittels welchem dem Prozessraum ein Prozessgas zuführbar ist, welches für die thermische Behandlung des Materials erforderlich ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung, insbesondere zur Kalzinierung, von Material, insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial, bei welchem a) das Material oder mit dem Material beladene Tragstrukturen durch einen Prozessraum einer Vorrichtung zur thermischen Behandlung des Materials (12) gefördert werden; b) eine in dem Prozessraum herrschende Prozessraumatmosphäre aufgeheizt wird; c) dem Prozessraum ein Prozessgas zugeführt wird, welches für die thermische Behandlung des Materials erforderlich ist.
In derartigen Vorrichtungen und mit solchen Verfahren erfolgt beispielsweise bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien eine Kalzinierung eines pulverförmi- ges Kathodenmaterials in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Bei dem pulverför- migen Kathodenmaterial handelt es sich zum Beispiel um einen lithiumhaltigen Übergangsmetallpräkursor, der in dem Ofen zu einem Lithium-Übergangsmetalloxid kalziniert wird. Bei diesem Vorgang wird abhängig davon, ob Lithiumhydroxid- oder Lithiumcarbonat-Präkursor verwendet werden, aus dem lithiumhaltigen Übergangsmetallpräkursor Wasser oder Kohlendioxid CO2 als Abgas freigesetzt.
Zu Aufrechterhaltung der sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird dem Prozessraum frisches Prozessgas zugeführt und das entstehende Wasser oder Kohlendioxid CO2 aus dem Brennraum durch kontinuierliches oder intermittierendes Absaugen der Prozessraumatmosphäre entfernt.
Grundsätzlich werden Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art aber auch für die thermische Behandlung von anderen Materialien verwendet, bei denen es sich beispielsweise auch um Werkstücke handeln kann, die entsprechend unter Einfluss eines Prozessgases thermisch oder thermo-chemisch behandelt werden müssen.
Die Temperaturen in solchen Öfen können bis zu 1200 °C betragen. Im Weiteren wird die Erfindung am Beispiel der thermischen Behandlung von oben erwähntem Kathodenmaterial erläutert. Die Temperatur, bei welcher die Kalzinierung von solchen Materialen in der Praxis, hängt in an und für sich bekannter Art und Weise von dem zu behandelnden Material und der Art des verwendeten Ofens ab.
Bei vom Markt her bekannten Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art vermischt sich das Prozessgas, das in den Prozessraum eingeblasen wird, auf dem Strömungsweg zu dem zu behandelnden Material mit der Atmosphäre, die bereits im Prozessraum vorhanden ist. Dieses Mischgas, welches schließlich zu dem Material gelangt, enthält daher einerseits das Prozessgas in einer geringeren Konzentration und andererseits unter anderem bereits in der Prozessraumatmosphäre vorhandenes Abgas. Der Effekt des Prozessgases am zu behandelnden Material kann daher nur wenig zufriedenstellend beeinflusst werden und eine Kontrolle und Steuerung der am Material herrschenden Atmosphäre ist nur schwer möglich.
Darüber hinaus ist die Temperatur des eingespeisten Prozessgases in der Regel beträchtlich niedriger als die Temperatur der bereits im Prozessraum befindlichen Atmosphäre. Das eingespeiste Prozessgas wird vor Erreichen des zu behandelnden Materials häufig nicht ausreichend aufgeheizt, so dass unvollständige Reaktionen resultieren können. Darüber hinaus kann das kühlere Prozessgas Wärme von den Materialträgern oder von anderen Komponenten des Fördersystems aufnehmen, wodurch es zu thermischen Spannungen kommen kann, die zu einem höheren Verschleiß und gegebenenfalls zu einem frühzeitigen Versagen der Komponenten führen können.
Das Prozessgas hat bei Erreichen des zu behandelnden Materials keine definierte Strömungsrichtung und kann daher die atmosphärischen Bedingungen in unmittelbarer Nähre des Materials nur Undefiniert beeinflussen. Zudem benötigt das Prozessgas eine geraume Zeit, bis es zum Material gelangt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche diesen Gedanken Rechnung tragen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass f) das Prozessgassystem mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen umfasst, welche derart angeordnet und eingerichtet sind, dass Prozessgas in mehreren lokalen Prozessgasströmen mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung gezielt auf das Material oder auf die mit Material beladenen Tragstrukturen abgebbar ist.
Hierunter soll verstanden werden, dass ein betrachteter lokaler Prozessgasstrom auf eine Auftreffstelle bezogen auf das Material und/oder auf eine Tragstruktur in einer axialen Verlängerung der zugehörigen Hauptströmungsrichtung gerichtet ist, dass aber durchaus ein Anteil des betrachteten lokalen Prozessgasstromes nicht zu dieser Auftreffstelle gelangt, da sich der lokale Prozessgasstrom in Hauptströmungsrichtung beispielsweise aufweiten kann und/oder Turbulenzen und Verwir- belungen im Prozessraum einen streng gerichteten lokalen Prozessgasstrom verhindern.
In jedem Fall kann auf diese Weise aber erreicht werden, dass eine abgestimmte Menge und ein abgestimmter Anteil von Prozessgas zu dem Material gelangt, wodurch die tatsächlich am Material herrschenden Reaktionsbedingungen reproduzierbar eingestellt werden können. So ist es möglich, dass das Material im Prozessraum bzw. das Material in allen vorhandenen Tragstrukturen denselben bzw. definierten thermischen und atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sein können.
Dabei ist es günstig, wenn wenigstens eine der Lokal-Injektionseinrichtungen mehrere Injektionsdüsen umfasst. So können mit einer Lokal-Injektionseinrichtung mehrere gerichtete Prozessgasströme erzeugt werden.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn wenigstens eine der Injektionsdüsen motorisch oder manuell beweglich ist, so dass die Hauptströmungsrichtung des mittels dieser Injektionsdüse erzeugten Prozessgasstromes einstellbar ist. In diesem Fall kann zum Beispiel eine Anpassung erfolgen, wenn andere Tragstrukturen verwendet werden müssen oder das Fördersystem auf andere Weise verändert wird. Auch kann so vor Ort die Prozessgas-Strömungsführung verändert und optimiert werden.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung als Injektionsleiste ausgebildet ist.
Bevorzugt verläuft eine solche Injektionsleiste horizontal oder vertikal; es sind aber auch gegenüber einer horizontalen und/oder einer vertikalen Ebene geneigte Verläufe möglich.
Es ist bautechnisch günstig, wenn wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung an dem Boden oder an der Decke des Gehäuses befestigt ist.
Bei einer vorteilhaften Variante ist wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung ein Injektionswand-Abschnitt einer Injektionswand, welche einen Innenraum des Gehäuses in den Prozessraum und einen Einblasraum unterteilt, welchem Prozessgas zuführbar ist.
Damit Prozessgas dann von dem Einblasraum in den Prozessraum strömen kann, weist der Injektionswand-Abschnitt vorzugsweise mehrere Durchgangsöffnungen, insbesondere Durchgangsschlitze, auf, welche den Prozessraum fluidisch mit dem Einblasraum verbinden.
Bei einer Weiterentwicklung umfasst das Fördersystem wenigstens ein Prozessgehäuse, auf welchem das Material oder mit dem Material beladene Tragstrukturen in der Förderrichtung in oder durch den Prozessraum förderbar sind, wobei das Prozessgehäuse wenigstens einen Injektionswand-Abschnitt umfasst.
Es ist günstig, wenn der Injektionswand-Abschnitt des Prozessgehäuses als Hohlwand mit einem Wandinnenraum ausgebildet ist, dem Prozessgas zuführbar ist. Eine besonders effektive Strömungsführung ist möglich, wenn das Prozessgassystem oder wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung derart eingerichtet sind, dass mehrere Prozessgasströme in verschiedenen Winkeln bezogen auf die Förderrichtung und eine horizontale Bezugsebene abgebbar sind.
Fördertechnisch ist es günstig, wenn das Fördersystem wenigstens eine Tragstruktur für das Material umfasst. Dies ist insbesondere bei Materialien wie dem angesprochenen Kathodenmaterial der Fall.
Es ist außerdem günstig, wenn mehrere Tragstrukturen ein Fördergestell bilden, welches Strömungsdurchgänge aufweist, durch welche ein jeweiliger Innenraum der Tragstrukturen, in denen das Material untergebracht ist, mit der Umgebung strömungstechnisch verbunden bleibt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Prozessgas ohne Hindernisse zum Material in den Tragstrukturen gelangen kann.
Hierauf abgestimmt ist es vorteilhaft, wenn die Lokal-Injektionseinrichtungen derart eingerichtet und eingestellt sind, dass wenigstens ein Teil der Prozessgasströme durch einen oder mehrere Strömungsdurchgänge hindurch strömt.
Um in Abstimmung mit dem Fördersystem eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Prozessraum und eine zielgerichtete Zuführung des Prozessgases zu erreichen, ist es günstig, wenn das Fördersystem eine Förderbahn oder mehrere Förderstränge aufweist, entlang welchen die Tragstrukturen gefördert werden, und dass Lokal-Injektionseinrichtungen des Prozessgassystems und/oder Heizelemente des Heizsystems auf einer oder auf beiden Seiten der Förderbahn oder mindestens eines Förderstranges angeordnet sind.
Wenn mehrere Förderstränge vorhanden sind, ist es günstig, wenn zwei benachbarte Förderstränge voneinander beabstandet sind, so dass dort ein Zwischenbereich ausgebildet ist, in welchem Heizelemente des Heizsystems und/oder eine oder mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen angeordnet sind. Besonders in Kombination mit Injektionsleisten ist es günstig, wenn das Heizsystem Heizelemente umfasst, welche als vertikale Heizleisten ausgebildet sind.
Es ist besonders von Vorteil, wenn das Prozessgassystem derart eingerichtet ist, dass verschiedene Lokal-Injektionseinrichtungen mit unterschiedlichen Arten von Prozessgas gespeist werden können. Durch die räumlich definierte Abgabegeometrie der Lokal-Injektionseinrichtungen ist es möglich, in dem Prozessraum unterschiedliche Bereiche mit verschiedenen Atmosphären für andersgeartete Behandlungen zu etablieren, ohne dass diese unterschiedlichen Bereiche räumlich voneinander getrennt werden müssen.
Die oben genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend dadurch gelöst, dass d) Prozessgas in mehreren lokalen Prozessgasströmen mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung gezielt auf das Material oder die mit Material beladenen Tragstrukturen abgegeben wird.
Insbesondere wird hierbei eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung mit einigen oder allen Merkmalen der oben erläuterten Vorrichtung verwendet.
Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen, die zur Vorrichtung erörtert wurden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Figur 1 einen vertikalen Längsschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel mit einem Heizsystem, welches mehrere vertikale Heizleisten umfasst, und einem Prozessgassystem mit mehreren Lokal- Injektionseinrichtungen in Form von vertikalen Injektionsleisten umfasst; Figur 2 einen perspektivischen Querschnitt des Durchlaufofens von Figur 1, wobei nur ein Ofenabschnitt gezeigt ist;
Figur 3 einen Querschnitt des Durchlaufofens von Figur 1;
Figur 4 einen horizontalen Längsschnitt eines Abschnitts des Durchlaufofens von Figur 1;
Figur 5 einen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit abgewandeltem Heizsystem und abgewandeltem Prozessgassystem;
Figur 6 einen horizontalen Längsschnitt eines Abschnittes eines Durchlaufofens gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel mit abgewandeltem Prozessgassystem;
Figur 7 einen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit nochmals abgewandeltem Prozessgassystem, welches horizontal verlaufende Injektionsleisten umfasst;
Figur 8 einen horizontalen Längsschnitt eines Abschnitts des Durchlaufofens von Figur 7;
Figur 9 einen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel wieder mit vertikalen Injektionsleisten und einem abgewandelten Fördersystem;
Figur 10 einen horizontalen Längsschnitt eines Abschnitts eines Durchlaufofens gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel mit nochmals abgewandeltem Fördersystem und einer abgewandelten Anordnung von vertikalen Heizleisten und vertikalen Injektionsleisten; Figur 1 1 einen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel mit einem nochmals abgewandelten Fördersystem;
Figur 12 einen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem achten Ausführungsbeispiels mit einem erneut abgewandelten Fördersystem und einer abgewandelten Anordnung von vertikalen Heizleisten und vertikalen Injektionsleisten;
Figur 13 einen horizontalen Längsschnitt eines Abschnitts eines Durchlaufofens gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel mit nochmals geänderter Anordnung von vertikalen Heizleisten und vertikalen Injektionsleisten;
Figur 14 einen perspektivischen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel, bei dem ein nochmals abgewandeltes Prozessgassystem mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen in Form von vertikalen Injektionswänden umfasst;
Figur 15 einen perspektivischen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem elften Ausführungsbeispiel, bei dem das Prozessgassystem eine Injektionswand umfasst und ein Absaugsystem eine Absaugwand aufweist;
Figur 16 einen perspektivischen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel, bei welchem das Fördersystem mehrere Prozessgehäuse umfasst, welche Injektionswände und/oder Absaugwände aufweisen;
Figur 17 einen perspektivischen Querschnitt eines Durchlaufofens gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiels, bei dem das Fördersystem abgewandelte Prozessgehäuse umfasst;
Figur 18 eine perspektivische Ansicht eines Prozessgehäuses nach Figur 17; Figur 19 eine perspektivische Ansicht eines Prozessgehäuses nach Figur 17 in teilweiser Durchsicht.
Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen. In diesen bezeichnet 10 eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Material 12. Nachfolgend wird diese Vorrichtung 10 der Einfachheit halber als Ofen 10 bezeichnet.
Bei dem Material 12 kann es sich beispielsweise um eingangs erläutertes Batterie- Kathodenmaterial 14 handeln, welches bei der Herstellung von Batterien durch eine thermische Behandlung in dem Ofen 10 kalziniert werden muss.
Der Ofen 10 umfasst ein Gehäuse 16 mit einem Boden 16a, einer Decke 16b und zwei vertikalen Seitenwänden 16c und 16d, welches einen Innenraum 18 begrenzt, in dem sich ein Prozessraum 20 befindet. Das Gehäuse 16 bildet somit das Gehäuse des Prozessraumes 20. Gegebenenfalls kann der Innenraum 18 des Ofens 10 durch ein gesondertes, das Gehäuse 16 umgebendes Gehäuse definiert sein. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der Prozessraum 20 zwischen einem Eingang 22 und einem Ausgang 24 des Gehäuses 16, die jeweils mit einem Tor 26 verschließbar sind. Alternativ kann auch ein offener Eingang 22 und ein offener Ausgang 24 oder aber im Gegensatz dazu jeweils eine gasdichte Doppeltorschleuse vorhanden sein, mit der eine Trennung der Atmosphäre im Ofen von der Umgebungsatmosphäre sichergestellt ist.
Das Material 12 wird mit Hilfe eines Fördersystems 28 in einer Förderrichtung 30 durch den Prozessraum 22 gefördert; die Förderrichtung 30 ist nur in Figur 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ofen 10 als Durchlaufofen und konkret als Durchstoßofen konzipiert, bei dem das Fördersystem 28 das Material 12 durch den Ofen 10 hindurch fördert. Hierfür umfasst das Fördersystem 28 eine Förderbahn 32, entlang welcher mehrere Auflageböden 34, sogenannte Trays, geschoben werden, wie es an und für sich bekannt ist. In den Figuren ist jeweils nur ein Auf lageboden mit einem Bezugszeichen versehen.
Das Fördersystem 28 umfasst eine Schubeinrichtung 36 mit einem angetriebenen Schubstempel 38, welcher einen Auflageboden 34 von außen durch den Eingang 22 in den Prozessraum 20 hinein schiebt. Dieser Auflageboden 34 stößt dabei gegen den in Förderrichtung 30 ersten Auflageboden 34 an, der sich bereits im Prozessraum 20 befindet, wodurch alle im Prozessraum 20 befindlichen Auflageböden 34 um einen Platz weitergeschoben werden und der in Förderrichtung 30 letzte Auflageboden 34 durch den Ausgang 24 aus dem Prozessraum 20 heraus geschoben wird.
Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen sind auch andere, an und für sich bekannte Konzepte für Durchlauföfen möglich, wie beispielweise alle Arten von Rollenöfen, Förderbandöfen, Kettendurchlauföfen, Durchfahröfen und dergleichen. Alternativ kann der Ofen 10 auch als Batchofen mit nur einem Zugang ausgebildet sein. In diesem Fall werden einzelne Chargen des Materials 12 in den Prozessraum 20 durch diesen Zugang in Förderrichtung 30 hinein gefördert, thermisch behandelt, hiernach wieder in zur Förderrichtung 30 entgegengesetzter Richtung durch den Zugang aus dem Prozessraum 20 entfernt und auf diese Weise insgesamt durch den Prozessraum 20 gefördert.
Das Material 12 kann abhängig von seiner Beschaffenheit als solches mit Hilfe des Fördersystems 28 gefördert werden und dabei zum Beispiel direkt auf den Auflageböden 34 abgelegt werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn es sich bei dem Material 12 um strukturelle Werkstücke handelt.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind mit dem Material 12 beladene Tragstrukturen 40 vorgesehen, die im Falle des Batterie-Kathodenmaterials 14 als Brennschalen 42 ausgebildet sind, die in englischer Terminologie als sogenannte Saggar bezeichnet werden. Diese Tragstrukturen 40 können zu einem regalartigen Fördergestell 44 mit mehreren Ebenen aufeinander gesetzt werden, wobei beim vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils drei mit Batterie-Kathodenmaterial 14 beladene Tragstrukturen 40 ein Fördergestell 44 bilden und jeweils ein Auflageboden 34 ein solches Fördergestell 44 trägt. Auch zwei oder mehr als drei, beispielsweise vier, fünf, sechs oder mehr Ebenen pro Fördergestell 44 sind denkbar; die Anzahl der möglichen Ebenen hängt weitgehend von der Bauhöhe des Prozessraumes 20 und der Tragstrukturen 40 ab. Bei einer Abwandlung ist das Fördergestell 44 ein separates Bauteil, beispielsweise aus Metall oder Keramik, welches die Tragstrukturen 40 in mehreren Ebenen aufnimmt.
Die Tragstrukturen 40 und folglich auch die Brennschalen 42 sind derart eingerichtet, dass bei aufeinander gestapelten Tragstrukturen 40 Strömungsdurchgänge 46 im Fördergestell 44 verbleiben, so dass ein jeweiliger Innenraum der Tragstrukturen 40 bzw. der Brennschalen 42, in dem das Material 12 untergebracht ist, mit der Umgebung innerhalb des Prozessraumes 20 strömungstechnisch verbunden bleibt. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind in Umfangsrichtung des Fördergestells 44 auf jeder von vier vorhandenen Seiten jeweils ein Strömungsdurchgang 46 vorhanden ist, so dass Strömungen in oder gegen die Förderrichtung 30 und Strömungen quer dazu in die Tragstrukturen 40 bzw. die Brennschalen 42 gelangen.
In Figur 1 sind die Komponenten 40 bis 46 lediglich am in Figur 1 ganz rechts gezeigten Fördergestell mit Bezugszeichen versehen. Figur 2 zeigt eine Abwandlung, bei jeder Auflageboden 34 nur eine einzige Tragstruktur 40 mit sich führt.
Der Ofen 10 umfasst ein Heizsystem 48, mittels eine in dem Prozessraum 20 herrschende Prozessraumatmosphäre 50 aufheizbar ist. Das Heizsystem 48 umfasst hierfür mehrere elektrische Heizelemente 52, die im Prozessraum 20 angeordnet sind. Beim in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente 52 als vertikale Heizleisten 54 ausgebildet, die entlang der Förderbahn 32 an den Seitenwänden 16c, 16d voneinander beabstandet als jeweilige Heizleistenreihe 56a und 56b angeordnet sind, so dass die Förderbahn 32 sich zwischen den Heizleistenreihen 56a, 56b erstreckt. Die vertikalen Heizleisten 54 sind jeweils am Boden 16a des Gehäuses 16 befestigt. Die Heizleistung der Heizleisten 54 kann für jede Heizleiste 54 individuell oder für Gruppen von Heizleisten 54 eingestellt werden. Gegebenenfalls können die Heizleisten 54 auch mehrere Heizabschnitte aufweisen, die ihrerseits getrennt voneinander angesteuert werden können.
Bei dieser und auch bei den weiter unten beschriebenen Anordnungen der Heizelemente 52 ist der Abstand der Heizelemente 52 zu den Tragstrukturen 40 bzw. den Brennschalen 42 weitgehend konstant. Hierdurch ist ein guter Durchsatz von Tragstrukturen 40 durch den Ofen 10 möglich, da es nur geringe oder bestenfalls keine Inhomogenitäten bei dem Temperaturprofil im Prozessraum 20 gibt, denen Rechnung getragen werden müsste.
Bei der thermischen Behandlung von Materialien 12 kann ein Abgas 58 entstehen, das aus dem Prozessraum 20 abgezogen werden muss. Ein solches Abgas 58 ist nur in Figur 3 und dort durch kurz gestrichelte Linien angedeutet und mit einem Bezugszeichen versehen. Bei der Kalzinierung von Batterie-Kathodenmaterial 14 entsteht als Abgas 58 beispielsweise das oben erwähnte Wassers oder Kohlendioxids CO2. Zudem können Lithium haltige Phasen freigesetzt werden.
Um Abgas 58 aus dem Prozessraum 20 entfernen zu können, ist ein Absaugsystem 60 vorhanden, welches Absaugöffnungen 62 im Boden 16a des Gehäuses 16 um- fasst, über welche das Abgas 58 aus dem Prozessraum 20 abgesaugt werden kann. Hierfür außerdem notwendige und an und für sich bekannte Komponenten wie Gebläse, Leitungen, Filter und dergleichen sind der Übersichtlichkeit halber nicht eigens gezeigt. Die Absaugöffnungen 62 sind im Übrigen nur in den Querschnitten in den Figuren 3, 5, 7 und 9 gezeigt.
In dem Ofen 10 können Materialien 12 thermisch behandelt werden, bei deren thermischer Behandlung ein Prozessgas erforderlich ist. Bei dem angesprochenen Batterie-Kathodenmaterial 14 wird für eine wirkungsvolle Kalzinierung beispielsweise Sauerstoff O2 benötigt, welcher in Form von konditionierter Luft in den Prozessraum 20 eingeblasen wird. In diesem Fall bildet folglich Luft ein solches Prozessgas. Der darin enthaltende Sauerstoff O2 wird bei der Bildung des Metalloxids umgesetzt und es entsteht Wasser oder Kohlendioxid CO2. Bei anderen Prozessen können andere Prozessgase erforderlich sein. Bei manchen Prozessen wird mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch reiner Sauerstoff benötigt, der Sauerstoffanteil solcher Prozessgase kann 21 % bis 100% betragen. Auch kann ein Inertgas als für eine reibungslose thermische Behandlung notwendiges Prozessgas verstanden werden.
Daher umfasst der Ofen 10 ein Prozessgassystem 64, mittels welchem dem Prozessraum 20 ein Prozessgas 66 zugeführt werden kann, welches für die thermische Behandlung des Materials 12 erforderlich ist.
Die nun nachfolgend erläuterten Bauteilen und Komponenten mit den Bezugszeichen 68 bis 80 sind in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen.
Das Prozessgassystem 64 umfasst mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen 68, welche derart angeordnet und eingerichtet sind, dass Prozessgas 66 in mehreren lokalen Prozessgasströmen 70 mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung 72 gezielt auf das Material 12 oder die mit Material 12 beladenen Tragstrukturen 40 abgegeben werden kann, was in Figur 3 veranschaulicht ist und wie es eingangs erläutert ist. Ergänzend zu den Lokal-Injektionseinrichtungen 68 kann das Prozessgassystem 64 noch für eine allgemeine Prozessgaszuführung sorgen, wie es an und für sich bekannt ist. Hierfür kann Prozessgas 66 beispielsweise über entsprechend vorhandene Einblaseinrichtungen, wie beispielsweise Einblaskästen, in den Prozessraum 20 eingeblasen werden, ohne dass dieses auf diese Weise eingeblasene Prozessgas 66 gerichtet auf das Material 12 und/oder verwendete Tragstrukturen 40 oder Fördergestelle 44 abgegeben wird.
Das Prozessgas 66, die mehreren Prozessgasströme 70 und die jeweils zugehörige Hauptströmungsrichtung 72 sind nur in Figur 3 durch die dortigen lang gestrichelten Linien angedeutet und mit Bezugszeichen versehen.
Die Lokal-Injektionseinheiten 66 sind beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 als vertikale Injektionsleisten 74 ausgebildet, die mehrere, entlang der vertikalen Injektionsleisten 74 angeordnete Injektionsdüsen 76 aufweisen.
Die Injektionsleisten 74 sind in der Praxis aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, oder aus Keramik gefertigt. Grundsätzlich kommen alle Materialien in Frage, die den Bedingungen in einem entsprechenden Ofen 10 standhalten können.
Die vertikalen Injektionsleisten 74 flankieren dort die Förderbahn 32 auf der in Förderrichtung 30 linken Seite und sind entlang der Förderbahn 32 voneinander beabstandet angeordnet, so dass eine Injektionsleistenreihe 78 ausgebildet ist, wobei die Abstände zwischen zwei benachbarten vertikalen Injektionsleisten 74 gleich sind. Die vertikalen Injektionsleisten 74 sind jeweils am Boden 16a des Gehäuses 16 befestigt und werden von dort über eine insgesamt mit 80 bezeichnete Versorgungseinrichtung mit Prozessgas 66 versorgt. Hierfür notwendige Komponenten wie Gebläse, Leitungen, eine Prozessgasquelle und dergleichen sind der Übersichtlichkeit halber nicht eigens gezeigt. Die einzelnen Injektionsdüsen 76 können durch einfache Austrittsöffnungen gebildet sein, die als Kreisöffnung, Oval oder Schlitz ausgestaltet sein können. Alternativ können die Injektionsdüsen 76 auch als gesonderte Baueinheiten von den vertikalen Injektionsleisten 74 umfasst sein. In diesem Fall können die Injektionsdüsen 76 beweglich sein, so dass die Hauptströmungsrichtung 72 des abgegebenen lokalen Prozessgasstromes 70 für jede Injektionsdüse 76 individuell eingestellt werden kann. Dies ist in Figur 3 durch verschiedene Verläufe der Prozessgasströme 70 verdeutlicht.
Es können auch Injektionsdüsen 76 in Form von Austrittsöffnungen und Injektionsdüsen 76 in Form von gesonderten Baueinheiten und auch verschiedene Düsengeometrien miteinander kombiniert werden.
Die Injektionsdüsen 76 können gegenüber der Grundkontur der zugehörigen Injektionsleiste 74 in den Prozessraum 20 abragen.
Die jeweiligen Einstellungen der Injektionsdüsen 76 können bei der Herstellung der vertikalen Injektionsleisten 74, zum Beispiel durch entsprechende schräge Verläufe von Austrittsöffnungen durch die Wand einer vertikalen Injektionsleiste 74, fest vorgegeben und auf zu verwendende Förderstrukturen 40 und daraus entstehende Fördergestelle 44 abgestimmt sein. Die Injektionsdüsen 76 können dabei so ausgebildet werden, dass die abgegebenen Prozessgasströme 70 parallel verlaufen oder unterschiedlich, wie es in Figur 3 veranschaulicht ist.
Alternativ oder ergänzend können auch einige oder alle Injektionsdüsen 76 beweglich und motorisch oder zumindest manuell einstellbar sein, so dass die Lokal- Injektionseinrichtungen 68 bei einem vorhandenen Ofen 10 an unterschiedliche Tragstrukturen 40 bzw. Brennschalen 42 und/oder Traggestelle 44 angepasst werden können. Wie in Figur 3 ebenfalls zu erkennen ist, sind die einzelnen Injektionsdüsen 76 so eingerichtet, dass jeweils mehrere Prozessgasströme 70 jeweils durch einen Strömungsdurchgang 46 des Fördergestells 44 hindurch zu dem von den Tragstrukturen 40 aufgenommenem Material 12 gelangt.
Die Prozessgasströme 70 können in einem Winkel von 90° bezogen auf die Förderrichtung 30, aber auch in einem Winkel kleiner als 90° in Förderrichtung 30 oder gegen die Förderrichtung 30 aus den Lokal-Injektionseinrichtungen 68 abgegeben werden. Darüber hinaus können die Prozessgasströme parallel zu einer horizontalen Bezugsebene oder nach oben oder nach unten geneigt zu einer solchen horizontalen Bezugsebene aus den Lokal-Injektionseinrichtungen 68 abgegeben werden. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn Abschattungen durch Teile der Tragstrukturen 40 bzw. des Fördergestells 44 möglichst weitgehend verringert werden sollen. Besonders effektiv kann dabei eine quasi chaotische Abgabe von verschiedenen Prozessgasströmen 70 aus einzelnen Injektionsdüsen 76 in unterschiedlichen Winkeln zur Förderrichtung 30 und/oder einer horizontalen Bezugsebene sein.
Allgemein ausgedrückt sind die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 derart eingerichtet, dass sie Prozessgasströme 70 in verschiedenen Winkeln bezogen auf die Förderrichtung 30 und eine horizontale Bezugsebene abgeben können. Wenn vorhandene Lokal-Injektionseinrichtungen 68 beispielsweis jeweils nur eine einzige Injektionsdüse 76 aufweisen, sind deren Abgabewinkel unterschiedlich. Wieder allgemein ausgedrückt ist jedenfalls das Prozessgassystem 64 derart eingerichtet, dass Prozessgasströme 70 in entsprechend verschiedenen Winkeln abgegeben werden können.
Dabei können mehrere Injektionsdüsen 76, welche Prozessgasströme 70 in verschiedenen Winkeln abgeben, in der gleichen oder in verschiedenen horizontalen Ebenen angeordnet sein. Auf Grund der Lokal-Injektionseinrichtungen 68 spielt es keine Rolle, dass sich die Tragstrukturen 40 in ein und demselben Fördergestell 44 oder auch die Tragstrukturen 40 von zwei benachbarten Fördergestellen 44 gegenseitig abschatten. Durch die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 werden alle Tragstrukturen 40 und alles Material 12 im Prozessraum 20 weitgehend homogen mit Prozessgas 66 versorgt und beaufschlagt, so dass die thermische Behandlung des Materials 12 in allen Tragstrukturen 40 in hohem Maße reproduzierbar und einheitlich abläuft.
Einerseits gelangt auf diese Weise Prozessgas 66 zum Prozessort am Material 12, andererseits wird durch die Prozessgasströme 70 das entstehende Abgas 58, vorliegend somit Wasser oder Kohlendioxid CO2, verdrängt und kann so effektiv durch das Absaugsystem 60 aus dem Prozessraum 20 abgesaugt werden.
Durch die lokale Zuführung des Prozessgases 66 wird der Gaspartialdruck in der unmittelbaren Nähe des Materials 12 verändert, was wiederum Einfluss auf die Prozessparameter und hierdurch Einfluss auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften des entstehenden Produkts hat.
Durch die gezielte Abgabe des Prozessgases 66 kann die Qualität des erhaltenen Produkts erhöht und auf diese Weise der Produktionsausschuss verringert werden. Darüber hinaus kann Prozessgas 66 gespart werden.
Mit Hilfe der gezielt abgegebenen Prozessgasströme 70 ist es außerdem möglich, die Temperatur am zu behandelnden Material 12 zu beeinflussen; es kann sowohl die Temperatur im Umfeld des Materials 12 homogenisiert als auch ein gezielt heterogenes Temperaturprofil am Material 12 herbeigeführt werden. Diese Wirkungen können durch eine entsprechende vorherige Konditionierung des Prozessgases 66 durch das Prozessgassystem 64 als auch durch eine entsprechend abgestimmte Abgabe des Prozessgases 66 durch die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 bewirkt werden. Die Abgabe des Prozessgases 66 durch die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 kann kontinuierlich oder gepulst erfolgen; dies wird durch eine entsprechende Steuerung und entsprechende Steuermittel des Prozessgassystems 64 eingestellt. Es können auch einige Lokal-Injektionseinrichtungen 68 oder auch nur einige Injektionsdüsen 76 bei Lokal-Injektionseinrichtungen 68 so ausgebildet und angesteuert sein, dass sie einen kontinuierlichen lokalen Prozessgasstrom 70 abgeben, wogegen andere Lokal-Injektionseinrichtungen 68 oder die anderen Injektionsdüsen 76 der fraglichen Lokal-Injektionseinrichtungen 68 so ausgebildet und angesteuert sein können, dass sie einen gepulsten lokalen Prozessgasstrom 70 abgeben.
Wie besonders in Figur 4 gut zu erkennen ist, sind die vertikalen Injektionsleisten 74 bezogen auf die vertikalen Heizleisten 54 in Richtung auf die Förderbahn 32 zu versetzt und jeweils zwischen zwei vertikalen Heizleisten 54 angeordnet. Auf diese Weise sind einerseits die vertikalen Injektionsleisten 74 nahe an dem Material 12 angeordnet und andererseits die vertikalen Heizleisten 54 nicht in Richtung auf die Förderbahn 32 abgeschattet.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der Figuren 5 bis 13 erläutert. In diesen Figuren sind lediglich die wesentlichen und angesprochenen Bauteile und Komponenten mit Bezugszeichen versehen.
Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ofens 10. Bei diesem sind sowohl die vertikalen Heizleisten 54 als auch die vertikalen Injektionsleisten 74 nicht am Boden 16a des Gehäuses befestigt, sondern an dessen Decke 16b, von welche sie nach unten in den Prozessraum 20 ragen.
Bei dem in Figur 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel sind die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 in Form der vertikalen Injektionsleisten 74 zu beiden Seiten der Förderbahn 32 angeordnet, so dass dort zwei Injektionsleistenreihen 78a und 78b gebildet sind. Die vertikalen Injektionsleisten 74 der jeweiligen Injektionsleistenreihe 78a, 78b sind bezogen auf die vertikalen Heizleisten 54 auf derselben Seite der Förderbahn 32 wieder jeweils in Richtung auf die Förderbahn 32 zu versetzt und jeweils zwischen zwei vertikalen Heizleisten 54 angeordnet.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel eines Ofens 10, bei dem die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 nicht als vertikale Injektionsleisten, sondern als horizontale Injektionsleisten 82 ausgebildet sind, die sich in Förderrichtung 30 parallel zur Förderbahn 32 auf beiden Seiten derselben erstrecken. Dabei bilden jeweils mehrere, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel drei, horizontale Injektionsleisten 82, die in vertikaler Richtung beabstandet angeordnet sind, eine horizontale Leistengruppe 84, die gemeinsam mit Prozessgas 66 gespeist wird. Hierzu sind die horizontalen Injektionsleisten 82 einer horizontalen Leistengruppe 84 über Verbindungsleitungen 86 strömungstechnisch miteinander verbunden.
Die einzelnen horizontalen Injektionsleisten 82 sind dabei auf Höhenniveaus angesiedelt, die zu den Höhenniveaus der Strömungsdurchgänge 46 in den Fördergestellen 44 passen, so dass die Prozessgasströme 70 das Material 12 in den Fördergestellen 44 gut erreichen kann.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 5 sind Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60 zu beiden Seiten der Förderbahn 32 im Boden 16a des Gehäuses 16 vorgesehen. Dies ist im Allgemeinen grundsätzlich der Fall, wenn Injektionsleisten auf beiden Seiten der Förderbahn 32 vorhanden sind, da dann Abgas 58 auch in beiden Richtungen quer zur Förderrichtung 30 aus den Fördergestellen 44 verdrängt wird. Grundsätzlich können Absaugöffnungen 62 an allen geeigneten Positionen im Ofen 10 vorgesehen sein, auch in der Decke und auch in unterschiedlichen Positionen in verschiedenen Ofenbereichen. Für die Anordnung der Absaugöffnungen 62 spielt insbesondere die Dichte des Abgases 58 eine Rolle; bei Abgasen 58, die leichter als Luft sind, bietet sich eine erhöhte Position der Absaugöffnungen 62 insbesondere auch in der Decke an, bei Abgasen 58, die schwerer als Luft sind, werden die Abgasöffnungen 62 in tieferen Bereichen des Ofens 10 und insbesondere in dessen Boden 16a vorgesehen.
Wie anhand Figur 8 zu erkennen ist, erstrecken sich einzelne horizontale Injektionsleisten 82 nicht über die gesamte Länge des Prozessraumes 20. Es sind dementsprechend in Förderrichtung 30 mehrere horizontale Injektionsleisten 82 auf derselben Höhe vorhanden bzw. entsprechend mehrere horizontale Leistengruppen 84 vorhanden.
Die horizontalen Injektionsleisten 82 können aus denselben Materialen wie die vertikalen Injektionsleisten 74 gefertigt werden.
Figur 9 veranschaulicht ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Förderbahn 32 und die darauf geförderten Auflageböden 34 derart breit ausgebildet sind, dass auf einem Auflageboden 34 zwei Fördergestelle 44 bezogen auf die Förderrichtung 32 nebeneinander Platz finden.
Dort sind wieder vertikale Heizleisten 54 und vertikale Injektionsleisten 74 vorhanden, wobei eine Abwandlung gezeigt ist, bei welcher die vertikalen Heizleisten 54 am Boden 16a und die vertikalen Injektionsleisten 74 an der Decke 16b des Gehäuses 16 des Ofens 10 befestigt sind.
Bei dem in Figur 10 gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel sind die vertikalen Heizleisten 54 und die vertikalen Injektionsleisten 74 nicht mehr in Richtung quer zur Förderrichtung 30 versetzt, sondern sind auf jeder Seite der Förderbahn 32 alternierend in Förderrichtung 30 hintereinander angeordnet. Die Abstände der Heizleisten 54 und der Injektionsleisten 74 zu der Förderbahn 32 bzw. zum dem Material 12 ist dort folglich identisch. Außerdem veranschaulicht Figur 10 eine Abwandlung, bei welcher die Förderbahn 32 in zwei Förderstränge 32a, 32b unterteilt ist, auf denen sich jeweils befindliche Fördergestelle 44 auf jeweils einem für ein Fördergestell 44 ausgelegten Auflageboden 34 unabhängig voneinander gefördert werden können. Hierzu umfasst das Fördersystem 28 am Eingang 22 des Gehäuses 16 für jeden Förderstrang 32a, 32b eine gesonderte Schubeinrichtung 36 mit gegebenenfalls einem jeweils gesonderten Schubstempel 38, was in Figur 10 auf Grund des Ausschnittes nicht zu erkennen ist.
Bei dem in Figur 1 1 gezeigten siebten Ausführungsbeispiel sind die Förderbahn 32 und die darauf geförderten Auflageböden 34 nochmals verbreitert, so dass ein Auflageboden 34 drei Fördergestelle 44 nebeneinander aufnehmen kann.
In entsprechender Weise bezogen auf die zwei Förderstränge 32a, 32b bei dem sechsten Ausführungsbeispiel nach Figur 10 kann die Förderbahn 32 hier in drei separate Förderstränge unterteilt sein, auf denen sich jeweils befindliche Fördergestelle 44 auf jeweils einem für ein Fördergestell 44 ausgelegten Auflageboden 34 unabhängig voneinander gefördert werden können. In diesem Fall umfasst das Fördersystem 28 am Eingang 22 des Gehäuses 16 für jeden der drei Förderstränge eine gesonderte Schubeinrichtung 36 mit gegebenenfalls einem jeweils gesonderten Schubstempel 38.
Ein in Figur 12 veranschaulichtes achtes Ausführungsbeispiel greift dieses Konzept auf, wobei die dort vorhandenen drei Förderstränge 32a, 32b, 32c in Richtung quer zur Förderrichtung 30 voneinander beabstandet sind, so dass dort ein erster Zwischenbereich 88a zwischen den Fördersträngen 32a und 32b und ein zweiter Zwischenbereich 88b zwischen den Fördersträngen 32b und 32c ausgebildet sind. Ergänzend zu den Heizleistenreihen 56a und 56b entlang der Seitenwände 16c und 16d des Gehäuses 16 sind zwei weitere Heizleistenreihen 56c und 56d mit vertikalen Heizleisten 54 in den Zwischenbereichen 88a bzw. 88b vorhanden.
In dem ersten Zwischenbereich 88a sind außerdem zwei Injektionsleistenreihen 78a und 78b mit vertikalen Injektionsleisten 74 angeordnet, von denen die erste Injektionsleistenreihe 78a dem ersten, in Förderrichtung 30 linken Förderstrang 32a und die zweite Injektionsleistenreihe 78b dem zweiten, in Förderrichtung 30 mittleren Förderstrang 32b zugeordnet ist. In dem zweiten Zwischenbereich 88b ist entsprechend eine dritte Injektionsleistenreihe 78c angeordnet, die dem in dritten, in Förderrichtung 30 rechten Förderstrang 32c zugeordnet ist.
Die Injektionsleisten 74 sind dabei jeweils bezogen auf die Heizleisten 54 in den Zwischenbereichen 88a, 88b in Richtung auf den jeweils zugeordneten Förderstrang 32a, 32b oder 32c zu versetzt angeordnet.
Die Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60 sind bei diesem Ausführungsbeispiel in den Seitenwänden 16c, 16d des Gehäuses 16 vorgesehen.
In Figur 13 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel veranschaulicht, bei dem in den Zwischenbereichen 88a und 88b jeweils vertikale Heizleisten 54 und vertikale Injektionsleisten 74 alternierend und ohne einen solchen Versatz angeordnet sind. Dabei wirken die vertikalen Heizleisten 54 in dem ersten Zwischenbereich 88a in Förderrichtung 30 immer abwechselnd nach rechts und links auf die Förderstränge 32a und 32b und in dem zweiten Zwischenbereich 88b in Förderrichtung 30 immer abwechselnd nach rechts und links auf die Förderstränge 32b und 32c.
In entsprechender Weise geben die vertikalen Injektionsleisten 74 in dem ersten Zwischenbereich 88a ihre Prozessgasströme 70 in Förderrichtung 30 immer abwechselnd nach rechts und links in Richtung auf die Förderstränge 32a und 32b und in dem zweiten Zwischenbereich 88b in Förderrichtung 30 immer abwechselnd nach rechts und links in Richtung auf die Förderstränge 32b und 32c ab.
Auch entlang der Seitenwand 16c des Gehäuses 16 findet sich eine alternierende Anordnung von vertikalen Heizleisten 54 und vertikalen Injektionsleisten 74, die jedoch alle jeweils in Richtung auf den ersten Förderstrang 32a wirken. Entlang der gegenüberliegenden Seitenwand 16d des Gehäuses 16 ist eine entsprechende alternierende Anordnung von vertikalen Heizleisten 54 und vertikalen Injektionsleisten 74 vorgesehen, die alle jeweils in Richtung auf den dritten Förderstrang 32c wirken.
Wie in Figur 13 zu erkennen ist, werden die Fördergestelle 44 auf den einzelnen Fördersträngen 32a, 32b und 32c in Förderrichtung 30 versetzt zueinander gefördert.
Ein entsprechender Zwischenbereich kann auch bei den zwei Fördersträngen 32a und 32b bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 vorhanden sein, in dem dann auch analog Heizelemente 52 des Heizsystems 48 und Lokal-Injektionseinrichtungen 68 des Prozessgassystems 64 angeordnet sein können.
Wenn ein Zwischenbereich zwischen zwei Fördersträngen vorhanden ist, können dort auch Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60 vorgesehen sein. So können weitgehend symmetrische Strömungsverhältnisse erzeugt werden, indem von der Seite her Prozessgas 66 zugeführt und das Abgas 58 in der Mitte abgesaugt wird.
Bei der thermischen Behandlung von Materialien 12 kann es erforderlich sein, dass dabei dem Material 12 in zwei verschiedenen Prozessschritten unterschiedliche Prozessgase zugeführt werden müssen. In diesem Fall weist der Prozessraum 20 wenigstens zwei Prozessbereiche auf. In diesen Prozessbereichen befindliche Lo- kal-lnjektionseinrichtungen 68 werden dann von dem Prozessgassystem 64 unabhängig voneinander mit dem für den jeweiligen Prozessbereich erforderlichen Prozessgas versorgt. Die für den Betrieb der jeweiligen Lokal-Injektionseinrichtungen 68 in den jeweiligen Prozessbereichen erforderlichen Parameter können dabei unabhängig voneinander eingestellt werden. Hierzu zählen neben der Art des jeweiligen Prozessgases unter anderem dessen Temperatur, der Abgabedruck und das abgegebene Volumen pro Zeiteinheit.
Bei einer nicht eigens gezeigten Abwandlung können Heizelemente 52 und Lokal- Injektionseinrichtungen 68 zu einer Lokal-Heiz-und-Injektionseinrichtung kombiniert sein. Auf diese Weise ist es unter anderem auch möglich, dass Prozessgas 66 bei seinem Austreten aus den Injektionsdüsen 76 noch thermisch zu beeinflussen.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Heizelement 52 als vertikale Heizleisten 54 ausgebildet. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können alternativ oder ergänzend horizontale Heizleisten vorgesehen sein. Solche horizontalen Heizleisten können sich über die gesamte Länge des Prozessraumes 20 erstrecken. Bei einer Variante können auch mehrere horizontale Heizelemente in Förderrichtung 30 aufeinander folgende angeordnet sein, die sich jeweils lediglich über einen Abschnitt des Prozessraumes 20 erstrecken. In vertikaler Richtung können jeweils mehrere horizontale Heizleisten mit jeweils einem Abstand zueinander vorgesehen sein.
Lokal-Injektionseinrichtungen 68, die am Eingang 22 oder am Ausgang 24 des Gehäuses 16 angeordnet sind, können dazu verwendet werden, eine jeweilige Strömungsschleuse zu etablieren, um dort eine Vermischung der Prozessgasatmosphäre 50 im Prozessraum 20 mit der Umgebungsatmosphäre außerhalb des Gehäuses 16 zu verhindern oder zumindest zu verringern. Bei anderen nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 auch in unregelmäßigen Abständen oder Gruppierungen in Förderrichtung 30 angeordnet sein. Die ist insbesondere dann günstig, wenn die thermische Behandlung beispielsweise in aufeinanderfolgenden thermischen Stufen stattfinden soll. Alternativ kann auch das Prozessgassystem 64 derart eingerichtet sein, dass verschiedene Lokal-Injektionseinrichtungen 68 auch unterschiedliche Prozessgasströme 70 abgeben können, die sich im abgegebenen Volumen pro Zeiteinheit und/oder in ihrer Temperatur unterscheiden.
Ferner sind bei den erläuterten Ausführungsbeispielen die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 an den Seitenwänden 16c und 16d und/oder in den Zwischenbereichen 8686a bzw. 86b auf einer geometrischen Geraden angeordnet, die senkrecht zur Förderrichtung 30 verläuft. Bei nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 auch bezogen auf eine solche geometrische Grade versetzt zueinander angeordnet sein. Dies ist beispielsweise in Figur 13 bei den Lokal-Injektionseinrichtungen 68 in den Zwischenbereichen 86a, 86b im Vergleich zu den Lokal-Injektionseinrichtungen 68 an den Seitenwänden 16c, 16d der Fall. Einander gegenüberliegende Lokal-Injektionseinrichtungen 68 in den Zwischenbereichen 86a, 86b ihrerseits befinden sich auf jeweils einer gemeinsamen solchen geometrischen Geraden. Einander gegenüberliegende Lokal-Injektionseinrichtungen 68 an den Seitenwänden 16c, 16d befinden sich ebenfalls auf einer gemeinsamen solchen geometrischen Geraden, die jedoch von der geometrischen Geraden bezogen auf die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 in den Zwischenbereichen 86a, 86b verschieden sind. Somit können die Abstände der Lokal-Injektionseinrichtungen 68 zu den Tragstrukturen 40 unterschiedlich sein.
Bei weiteren nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die vertikalen Injektionsleisten 74 auch Injektionsdüsen 76 haben, welche die jeweiligen Prozessgasströme 70 in verschiedene Richtungen abgeben. Bei ergänzenden Abwandlungen können die Lokal-Injektionseinrichtungen durch die Seitenwände 16c, 16d des Gehäuses 16 geführt oder in diese integriert sein. Entsprechende Injektionsleisten 74 können auch dann vertikal oder horizontal ver laufen. Auch sind Injektionswände denkbar, welche beispielsweise in Form von keramischen Platten oder Mauerwerk zwischen der Förderbahn 32 oder den Fördersträngen 32a, 32b oder 32a, 32b, 32c und den Heizelementen 52 vorgesehen sind Darüber hinaus können Lokal-Injektionseinrichtungen 68 von den Auflageböden 34 oder den Traggestellen 44 mitgeführt werden.
Bei einer weiteren Variante können die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 auch in der Weise ausgebildet sein, dass Prozessgasströme 70 durch eine gezielte Absaugung erzeugt werden, durch welche Prozessgas 66 zu den Tragstrukturen 40 und dem Material 12 gesaugt wird. Hierzu können beispielsweise Saugrohre vorgesehen sein, die nahe an die Förderbahn 32 und die verwendeten Tragstrukturen 40 bzw. Traggestelle 44 heranreichen. Damit können Abgase 58, die am Material 12 entstehen, direkt abgesaugt werden, wobei dort ein Unterdruck entsteht und an anderer Stelle in den Prozessraum 20 eingeblasenes Prozessgas 66 gezielt nachströmt.
Figur 14 veranschaulicht ein zehntes Ausführungsbeispiel eines Ofens 10, bei welchem die Lokal-Injektionseinrichtungen 68 des Prozessgassystems 64 durch Injektionswand-Abschnitte 90 von Injektionswänden 92 ausgebildet sind, welche jewei mehrere Injektionsdüsen 76 aufweisen. Die Injektionswände 92 bestehen aus feuerfestem Material.
Die Injektionswände 92 flankieren die Förderbahn 32 auf beiden Seiten und unter teilen den Innenraum 18 in den Prozessraum 20 und jeweils den Prozessraum 20 flankierende Einblasräume 94, die zu dem Prozessgassystem 64 gehören und übei die Versorgungseinrichtung 80 mit Prozessgas 66 gespeist werden. Hierfür sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel Einblasöffnungen 96 im Boden der Strömungsräume 94 vorgesehen.
Die Injektionsdüsen 76 sind bei den Injektionswand-Abschnitten 90 der Injektionswände 92 als Durchgangsöffnungen 98 ausgebildet. Bei einer Abwandlung können die Injektionsdüsen 76 bei den Injektionswand-Abschnitten 90 auch als gesonderte Baueinheiten vorgesehen sein, die auch beweglich in den Injektionswand- Abschnitten 90 gelagert sein können. Die Injektionsdüsen 76, d.h. die Durchgangsöffnungen 98, verbinden die Einblasräume 94 fluidisch mit dem dazwischen angeordneten Prozessraum 20. In den Einblasräumen 94 befinden sich außerdem die Heizelemente 52, so dass diese auch auf das Prozessgas 66 in den Strömungsräumen 94 wirken. Aus jeder Durchgangsöffnung 98 tritt dann Prozessgas 66 als jeweiliger Prozessgasstrom 70 in den Prozessraum 20 ein. Bei einer Abwandlung können auch in dem Prozessraum 20 Heizelemente 52 vorhanden sein.
Das Wandmaterial und die Wandkonstruktion der Injektionswände 92 kann nach Kriterien ausgewählt sein, bei denen die Wärmeenergie der Heizelemente 52 weitgehend verlust- und verzögerungsfrei in den Prozessraum 20 und zu dem Material 12 gelangt, das in dem Fördergestell 44 angeordnet ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Durchgangsöffnungen 98 in den Injektionswand-Abschnitten 90 als Durchgangsschlitze 100 ausgebildet, die horizontal verlaufen. Die einzelnen Durchgangsschlitze 100 sind auf Höhenniveaus angesiedelt, die zu den Höhenniveaus der Strömungsdurchgänge 46 in den Fördergestellen 46 passen, so dass die Prozessgasströme 70 das dortige Material 12 gut erreichen können. In Figur 14 ist ebenso wie in den Figuren 15 und 16 auf jedem Auflageboden 34 nur eine einzige Tragstruktur 40 gezeigt. Andere Geometrien und Ausrichtungen der Durchgangsöffnungen 98 sind möglich. Dieser Ofen 10 funktioniert nun derart, dass das Prozessgas 66 durch die Versorgungseinrichtung 80 in die Einblasräume 94 eingeblasen wird, die Einblasräume 94 durchströmt und dann von beiden Seiten durch die Injektionsdüsen 76 der Injektionswände 92 als Prozessgasstrom 70 in den Prozessraum 20 eintreten, wo die Prozessgasströme 70 jeweils durch einen Strömungsdurchgang 46 des Fördergestells 44 hindurch zu dem von den Tragstrukturen 40 aufgenommenem Material 12 gelangen.
Wie bei den oben erläuterten Injektionsdüsen 76 können auch die Durchgangsöffnungen 98 in den Injektionswänden 92 derart eingerichtet sein, dass die Prozessgasströme 70 parallel zu einer horizontalen Bezugsebene oder nach oben oder nach unten geneigt zu einer solchen horizontalen Bezugsebene aus den Lokal-Injektionseinrichtungen 68, d.h. hier den Injektionswand-Abschnitten 90 der Injektionswände 92, abgegeben werden.
Die Absaugung von Abgas 58 aus dem Prozessraum 20 erfolgt wieder durch Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60 im Boden des Prozessraumes 18.
Figur 15 zeigt ein abgewandeltes elftes Ausführungsbeispiel, bei dem nur auf einer Seite der Förderbahn 32 Injektionswand-Abschnitte 90 eine Injektionswand 92 bilden, wodurch auch nur auf dieser Seite neben dem Prozessraum 20 ein Einblasraum 94 für Prozessgas 66 ausgebildet ist.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Förderbahn 32 ist eine Absaugwand 102 vorhanden, die den Prozessraum 20 von einem Absaugraum 104 trennt. In dem Absaugraum 104 befinden sich die Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60. Die Absaugwand 104 weist eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 106 auf, welche den Prozessraum 20 fluidisch mit dem Absaugraum 104 verbinden.
In der Praxis sind die Injektionswand 92 und die Absaugwand 102 und deren Durchgangsöffnungen 98 bzw. Durchtrittsöffnungen 106 strukturell identisch. Die Bezeichnung Injektionswand bzw. Absaugwand ergibt sich aus der technischen Funktion bezogen auf den Prozessraum 20. Allgemein ausgedrückt sind sowohl eine Injektionswand 92 als auch eine Absaugwand 102 Durchströmungswände 108.
Wie in Figur 15 zu erkennen ist, sind nur im Einblasraum 94 Heizelemente 52 in einer Heizleistenreihe 56a angeordnet. Bei einer Abwandlung können Heizelemente 52 auch in dem Absaugraum 104 und/oder im Prozessraum 20 vorhanden sein.
Bei dem in Figur 15 gezeigten Ofen 10 der Einblasraum 94 mittels der Versorgungseinrichtung 80 mit Prozessgas 66 gespeist, welches durch die Injektionswand 92 in den Prozessraum 20 gelangt und dort zu dem Material 12 bzw. durch das Fördergestell 44 hindurch strömt. Aus dem Prozessraum 20 strömen Abgas 58 und überschüssiges Prozessgas 66 durch die Durchtrittsöffnungen 106 in der Absaugwand 102 hindurch in den Absaugraum 104 ein, aus dem sie dann über die Absaugöffnungen 62 abgezogen werden.
Entsprechende Injektionswände 92 und/oder Absaugwände 102 können auch bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 9 bis 13 jeweils in Förderrichtung 30 rechts und links neben jeweils einem der mehreren Förderstränge 32a, 32b bzw. 32a, 32b und 32c vorhanden sein. Gegebenenfalls kann zwischen zwei Fördersträngen 32a, 32b oder 32b, 32c auch jeweils ein Einblasraum 94 und zu beiden Seiten neben der mehrsträngigen Förderbahn 32 jeweils ein Absaugraum 104 ausgebildet sein.
Figur 16 veranschaulicht ein zwölftes Ausführungsbeispiel eines Ofens 10. Bei diesem Ofen 10 umfasst das Fördersystem 28 mehrere Prozessgehäuse 1 10, mit welchen die Tragstrukturen 40 mit dem Material 12 durch den Prozessraum 20 gefördert werden. Ein solches Prozessgehäuse 1 10 umfasst bei dem Ofen 10 gemäß Figur 16 einen der Auflageböden 34 und zwei Injektionswand-Abschnitte 90, die von den Auflageböden 34 mitgeführt werden. Dabei sind bei einem Prozessgehäuse 1 10 jeweils zwei Injektionswand-Abschnitte 90 zu beiden Seiten in Richtung senkrecht zur Förderrichtung 30 an dem Auflageböden 34 befestigt, so dass sich die Injektionswand-Abschnitte 90 gemeinsam mit dem Auflageboden 34 durch den Prozessraum bewegen. Die Injektionswand-Abschnitte 90 werden dabei an der Decke 16b geführt, wozu sie dort in Führungsschienen 1 12 laufen.
Der Begriff Gehäuse bedeutet bei den Prozessgehäusen 1 10 nicht, dass sie geschlossen sind. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sie beispielsweise zumindest an den in die oder entgegen der Förderrichtung 30 weisenden Stirnseiten offen.
Wenn mehrere solche Prozessgehäuse 1 10 in dem Prozessraum 20 hintereinander angeordnet sind, bilden deren Injektionswand-Abschnitte 90 in Förderrichtung 30 jeweils eine Injektionswand 92 aus und es gibt wieder zwei Einblasräume 94 zu beiden Seiten der Förderbahn 32. Die Absaugöffnungen 62 des Absaugsystems 60 sind im Prozessraum 20 an der Decke 16b des Gehäuses 16 vorgesehen und daher in Figur 16 nicht zu erkennen.
Bezogen auf eine oder mehrere Tragstrukturen 40, die auf einem bestimmten Auflageboden 34 eines Prozessgehäuses 1 10 angeordnet sind, sind die Injektionswand-Abschnitte 90 somit stationär angeordnet.
Auf diese Weise sind die Durchgangsöffnungen 98 also stets in der gleichen Lage und Orientierung bezogen auf die Tragstrukturen 40 bzw. bezogen auf die Strömungsdurchgänge 46, wenn mehrere Tragstrukturen 40 auf dem Auflageboden 34 aufeinander gestapelt sind. So kann das Material 12 in jeder Position der Tragstrukturen 40 im Prozessraum 20 stets in gleichem und reproduzierbaren Maße mit Prozessgas 66 beaufschlagt werden.
Im Gegensatz dazu kommt es bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 14 und 15 dazu, dass sich die Tragstrukturen 40 in Förderrichtung 30 in Bereichen zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen 98 befinden, so dass in diesen Fördersituationen weniger Prozessgas 66 zu dem Material 12 gelangt als in den Fördersituationen, in denen die Trag strukturen 40 sich neben den Durchgangsöffnungen 106 befinden.
Das Prozessgehäuse 1 10 gehört originär zu dem Transportsystem 28, umfasst mit den Injektionswand-Abschnitten 90 jedoch auch Komponenten, die dem Prozessgassystem 64 zuzuordnen sind.
Bei einer Abwandlung kann ein Prozessgehäuse 1 10 lediglich einen Injektionswand-Abschnitt 90 einer Injektionswand 92 aufweisen, während auf der gegenüberliegenden Seite ein entsprechender Injektionswand-Abschnitt einer dann insgesamt ausgebildeten Absaugwand 102 vorhanden ist. In diesem Fall wird das Prozessgehäuse 1 10 von Prozessgas 66 durchströmt und Abgas 58 wird durch die Absaugwand 102 abgesaugt. In diesem Fall umfasst das Prozessgehäuse 1 10 auch Komponenten, die dem Absaugsystem 60 zuzuordnen sind.
In Figur 17 ist als dreizehntes Ausführungsbeispiel ein Ofen 10 gezeigt, bei dem die Injektionswand-Abschnitte 90 der Injektionswand 92 des Prozessgehäuses 1 10 als Hohlwand 1 14 mit einem Wandinnenraum 1 16 ausgebildet sind, der über die Durchgangsöffnungen 98 fluidisch mit dem Prozessraum 20 in Verbindung steht. Die Hohlwände 1 14 haben an ihren unteren Schmalflanken jeweils einen Durchgang 1 18, durch welchen Prozessgas 66 in den Wandinnenraum 1 16 einströmen kann. Beide Hohlwände 1 14 dienen in diesem Fall als Injektionswand 92.
Hierzu umfasst das Prozessgassystem 64 am Boden 16a des Gehäuses 16 für jede Hohlwand 1 14 eine Rinne 120 mit U-förmigem Querschnitt, auf deren oberen Rändern die Hohlwände 1 14 gleitend aufliegen. Die Hohlwände 1 14 weisen in Förderrichtung 30 vorne und hinten nach unten abragende Dichtzungen 122 auf, welche in die jeweilige Rinne 120 hineinragen und entsprechen zum Querschnitt der Rinne 120 komplementär sind. In Förderrichtung 30 zwischen diesen Dichtzungen 122 ist dann in der Rinne 120 eine bewegliche Eingangskammer 124 für Prozessgas ausgebildet, die sich mit dem Prozessgehäuse 1 10 mitbewegt. Die Dichtzungen 122 dichten diese Eingangskammern 124 nicht hermetisch ab, vielmehr verbleibt zwischen den Rändern der Dichtzungen 122 und der Zuführrinne 120 ein Spalt. Dies reicht jedoch aus, um durch in die Eingangskammer 124 einströmendes Prozessgas 66 einen Überdruck aufzubauen, so dass Prozessgas 66 dann aus der Eingangskammer 124 durch den Durchgang 1 18 in den Wandinnenraum 1 16 der Hohlwand 1 14 einströmt und von dort durch die Durchgangsöffnungen 98 in den Prozessraum 20 und zu dem Material 12 in den Tragstrukturen 40 gelangt.
Die Rinnen 120 weisen in Förderrichtung 30 in regelmäßigen Abständen Öffnungen auf, die in den Figuren nicht zu erkennen sind. Diese Öffnungen der Rinnen 120 sind in Förderrichtung 30 in einem Abstand angeordnet, bei dem sichergestellt ist, dass eine sich bewegende Eingangskammer 124 stets mindestens eine Öffnung abdeckt, wenn das Prozessgehäuse 1 10 durch den Prozessraum 20 gefördert wird. Durch diese Öffnungen kann Prozessgas 66 in die Zuführrinnen 120 eingeblasen werden, welches dann durch die sich bewegende Eingangskammer 124 in die Hohlwand 1 14 strömt.
Wenn mehrere Prozessgehäuse 1 10 mit den Hohlwänden 1 14 hintereinander im Prozessraum 20 angeordnet sind, ist der Prozessraum 20 von Heizräumen 126 flankiert, in denen die Heizelemente 52 angeordnet sind. Die Hohlwände 120 sind so konstruiert, dass die Wärmeenergie der Heizelemente 52 weitgehend verlust- und verzögerungsfrei in den Prozessraum 20 und zu dem Material 12 gelangt, das in dem Fördergestell 44 angeordnet ist. Alternativ kann auch nur das Prozessgas 66 für die nötige Temperatur im Prozessraum 20 sorgen, wozu das Prozessgas 66 entsprechend konditioniert und erhitzt in die Zuführrinnen 120 eingeblasen wird. Das Absaugsystem 60 saugt Abgas 58 beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wieder über Absaugöffnungen 62 ab, die in der Decke 16b des Gehäuses 16 im Bereich des Prozessraumes 18 angeordnet sind.
Bei einer Variante kann aber auch nur eine der beiden Hohlwände 1 14 als Injektionswand 92 dienen, während die andere Hohlwand 1 14 als Absaugwand 102 kon- zeptioniert ist. In diesem Fall wird über die Öffnungen der zu dieser Absaugwand 102 gehörenden Rinne 120 kein Prozessgas 66 eingeblasen, sondern Abgas 58 und überschüssiges Prozessgas 66 abgesaugt.
Bei weiteren, hier nicht eigens gezeigten Abwandlungen können die Hohlwände 1 14 auch den Durchgängen 1 18 entsprechende Durchgänge an der Oberseite haben, wobei dann an der Decke 16b des Gehäuses 16 zu den Hohlwänden 1 14 komplementäre Rinnen vorhanden sind, die den Rinnen 120 entsprechen und passende Öffnungen aufweisen, die zum Einblasen von Prozessgas 66 oder zum Absaugen von Abgas 58 dienen. In entsprechender Weise haben die Hohlwände 1 14 dann nach oben abragende Dichtzungen.
Bei einem Fördersystem 28 mit mehreren Fördersträngen 32a, 32b oder 32a, 32b, 32c können Hohlwände 1 14 zwischen zwei Tragstrukturen 40 vorhanden sein. Wahlweise hat eine solche mittige Hohlwand 1 14 dann Durchgangsöffnungen 98 zu beiden Seiten hin oder es werden zwei Hohlwände 1 14 nebeneinander angeordnet, deren Durchgangsöffnungen 98 in entgegengesetzte Richtungen weisen. Gegebenenfalls kann das Prozessgehäuse 1 10 oben eine Decke haben, die in Figur 19 gestrichelt angedeutet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung, insbesondere zur Kalzinierung, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), mit a) einem Gehäuse (16); b) einem in dem Gehäuse (16) befindlichen Prozessraum (20); c) einem Fördersystem (28), mittels welchem das Material (12) oder mit dem Material (12) beladene Tragstrukturen (40) in einer Förderrichtung (30) in oder durch den Prozessraum (20) förderbar sind; d) einem Heizsystem (48), mittels welchem eine in dem Prozessraum (20) herrschende Prozessraumatmosphäre (50) aufheizbar ist; e) einem Prozessgassystem (64), mittels welchem dem Prozessraum (20) ein Prozessgas (66) zuführbar ist, welches für die thermische Behandlung des Materials (12) erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass f) das Prozessgassystem (64) mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen (68) umfasst, welche derart angeordnet und eingerichtet sind, dass Prozessgas (66) in mehreren lokalen Prozessgasströmen (70) mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung (72) gezielt auf das Material (12) oder auf die mit Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) abgebbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Lokal-Injektionseinrichtungen (68) mehrere Injektionsdüsen (76) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dass wenigstens eine der Injektionsdüsen (76) motorisch oder manuell beweglich ist, so dass die Hauptströmungsrichtung (72) des mittels dieser Injektionsdüse (76) erzeugten Prozessgasstromes (70) einstellbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung (68) als Injektionsleiste (74) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionsleiste (74) horizontal oder vertikal verläuft.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung (68) an dem Boden (16a) oder an der Decke (16b) des Gehäuses (16) befestigt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung (68) ein Injektionswand-Abschnitt (90) einer Injektionswand (92) ist, welche einen Innenraum (18) des Gehäuses (16) in den Prozessraum (20) und einen Einblasraum (94) unterteilt, welchem Prozessgas (66) zuführbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektionswand-Abschnitt (90) mehrere Durchgangsöffnungen (98), insbesondere Durchgangsschlitze (100), aufweist, welche den Prozessraum (20) fluidisch mit dem Einblasraum (94) verbinden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördersystem (28) wenigstens ein Prozessgehäuse (1 10) umfasst, auf welchem das Material (12) oder mit dem Material (12) beladene Tragstrukturen (40) in der Förderrichtung (30) in oder durch den Prozessraum (20) förderbar sind, wobei das Prozessgehäuse (1 10) wenigstens einen Injektionswand-Abschnitt (90) umfasst.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektionswand-Abschnitt (90) des Prozessgehäuses (1 10) als Hohlwand (1 14) mit einem Wandinnenraum (1 16) ausgebildet ist, dem Prozessgas (66) zuführbar ist.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgassystem (64) oder wenigstens eine Lokal-Injektionseinrichtung (68) derart eingerichtet sind, dass mehrere Prozessgasströme (70) in verschiedenen Winkeln bezogen auf die Förderrichtung (30) und eine horizontale Bezugsebene abgebbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördersystem (28) wenigstens eine Tragstruktur (40) für das Material (12) umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Tragstrukturen (40) ein Fördergestell (44) bilden, welches Strömungsdurchgänge (46) aufweist, durch welche ein jeweiliger Innenraum der Tragstrukturen (40), in denen das Material (12) untergebracht ist, mit der Umgebung strömungstechnisch verbunden bleibt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokal-Injektionseinrichtungen (68) derart eingerichtet und eingestellt sind, dass wenigstens ein Teil der Prozessgasströme (70) durch einen oder mehrere Strömungsdurchgänge (46) hindurch strömt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördersystem (28) eine Förderbahn (32) oder mehrere Förderstränge (32a, 32b; 32a, 32b, 32c) aufweist, entlang welchen die Tragstrukturen (40) gefördert werden, und dass Lokal-Injektionseinrichtungen (68) des Prozessgassystems (64) und/oder Heizelemente (52) des Heizsystems (48) auf einer oder auf beiden Seiten der Förderbahn (32) oder mindestens eines Förderstranges (32a, 32b; 32a, 32b, 32c) angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dass zwei benachbarte Förderstränge (32a, 32b; 32b, 32c) voneinander beabstandet sind, so dass dort ein Zwischenbereich (88a, 88b) ausgebildet ist, in welchem Heizelemente (54) des Heizsystems (48) und/oder eine oder mehrere Lokal-Injektionseinrichtungen (68) angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem (48) Heizelemente (52) umfasst, welche als vertikale Heizleisten (54) ausgebildet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgassystem (64) derart eingerichtet ist, dass verschiedene Lokal-Injektionseinrichtungen (68) mit unterschiedlichen Arten von Prozessgas (66) gespeist werden können.
19. Verfahren zur thermischen oder thermo-chemischen Behandlung, insbesondere zur Kalzinierung, von Material (12), insbesondere von Batterie-Kathodenmaterial (14), bei welchem a) das Material (12) oder mit dem Material (12) beladene Tragstrukturen (40) durch einen Prozessraum (20) einer Vorrichtung (10) zur thermischen Behandlung des Materials (12) gefördert werden; b) eine in dem Prozessraum (20) herrschende Prozessraumatmosphäre (50) aufgeheizt wird; c) dem Prozessraum (20) ein Prozessgas (66) zugeführt wird, welches für die thermische Behandlung des Materials (12) erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) Prozessgas (66) in mehreren lokalen Prozessgasströmen (70) mit jeweils einer Hauptströmungsrichtung (72) gezielt auf das Material (12) oder die mit Material (12) beladenen Tragstrukturen (40) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 verwendet wird.
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