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Kontinuierliches Verfahren zur Oxydation von in einer Flüssigkeit dispergierten, brenn- baren Stoffen und Vorrichtung zu seiner Durchführung
Die Erfindung bezieht sich auf ein kontinuier- liches Verfahren zur Durchführung eines sich selbst erhaltenden Oxydationsprozesses, bei dem brennbare Stoffe in wässeriger Dispersion in
Gegenwart eines, freien Sauerstoff enthaltenden
Gases praktisch vollständig oxydiert werden, wobei sich Dampf, Wasser, nicht kondensierbare Gase und anorganische Salze oder Asche als Endprodukte ergeben.
Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einer Vorrichtung und einer Methode für die Lenkung eines sich selbst erhaltenden Oxydationsprozesses bei dem die Oxydationsgeschwindigkeit durch Einstellung der Konzentration der in wässeriger Dispersion zugeführten, brennbaren Stoffe geregelt wird, wobei diese Konzentration dadurch erzielt wird, dass das einzuführende brennbare Material besonderen thermischen Bedingungen unterworfen wird.
Es ist ein Verfahren zur Ablaugeverwertung in einem sich selbst erhaltenden Oxydationsprozess vorgeschlagen worden, das eine beachtliche wirtschaftliche Bedeutung für die Behandlung von Industrieabfällen, wie Kanalisationsschlamm, Sulfitablauge, Abfälle aus Käsereien und andere organische bzw. brennbare Abfälle erreicht hat. Dieses bekannte Verfahren bedarf jedoch gewisser Reguliermethoden und Kontrollmassnahmen, um die Nassverbrennung den verschiedenen Rohmaterialien anpassen und den Wärmehaushalt des Verfahrens so lenken zu können, dass über den Eigenbedarf das Prozesses hinaus eine möglichst grosse Menge an nutzbarer Wärme gewonnen wird. In diesem Zusammenhang wurde bereits vorgeschlagen, die einzuführende Lauge vorzuwärmen.
Da die Reaktionszeit bei der Nassverbrennung der Konzentration der Lauge umgekehrt proportional ist, dachte man, dass es höchstens notwendig sei, die Lauge auf eine möglichst hohe Vorwärmtemperatur zu erhitzen.
In der Praxis ergab sich jedoch, dass eine starke Erhitzung der Lauge ein Eindicken oder ein Festwerden derselben zur Folge hat und der kontinuierliche Betrieb durch die so gebildete halbfeste oder feste Masse gestört wird. Diese verstopfende Masse enthält Asche, anorganische Salze, bei der betreffenden Konzentration, unlösliches Material und nichtflüchtige Oxydations- produkte. Ihre Bildung muss vermieden werden.
Es ist anderseits eine einwandfreie Regelung des
Materialflusses unerlässlich, wenn das Verfahren für grosse Kraftanlagen verwendet wird, in welchen Materialien verschiedener Zusammensetzung und verschiedenen Wärmeinhaltes verarbeitet werden.
Erfindungsgemäss wird jede unerwünschte Bil- dung zu sehr eingedickter Ausgangslauge bei dem eingangs genannten Nassverbrennungsverfahren vermieden und eine gute und den jeweiligen kohlenstoffhaltigen Rohstoffen leicht anzupassende Konzentrationsänderung derselben im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Dispersion mit einer Menge eines sauerstoffhaltigen Gases gemischt wird, welche die durch die Dispersion absorbierbare Gasmenge übersteigt, und in diesem Gemisch durch Wärmeaustausch mit wenigstens einem Teil der die Reaktionszone verlassenden Medien das Verhältnis des brennbaren Materials zum Wasser durch Eindampfen auf einen Wert erhöht wird, bei welchem der Oxydationsvorgang sich selbst aufrechterhält.
Experimentell wurde gefunden, dass für einen sich selbst aufrechterhaltenden Oxydationsprozess bei einem Druck von etwa 56, 25 kg/cm'für die in die Reaktionszone eintretende Lauge ein Wärmeinhalt von mindestens 200, 5 kcal je Liter notwendig ist. Eine mit weniger als 200, 5 kcal je Liter in die Reaktionszone eingeführte Ablauge od. dgl. besitzt ein zu geringes Wärmepotential, um die Reaktion ohne Wärmezufuhr von aussen aufrechtzuerhalten. Es liess sich zwar auch bei niedrigeren Konzentrationen eine Oxydation durchführen, eine solche hat jedoch mit Rücksicht auf den Zeitaufwand und auf die apparativen Erfordernisse bei ihrer Durchführung kaum praktische Bedeutung. Zweckmässig soll die Dispersion beim Eintritt in den Reaktor eine Konzentration besitzen, die etwa 468 kcal/Liter entspricht.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Konzentration des brennbaren Materials in Wasser, vorzugsweise innerhalb der oben genannten Grenzen eingestellt.
Es wurde gefunden, dass eine solche Regelung dadurch erreicht werden kann, dass wenigstens ein Teil des Ablaufes aus dem Reaktor für einen Wärmeaustausch mit der der Reaktionszone zu-
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zuführenden Lauge od. dgl. gebracht wird. Damit eine wirksame Verdampfung vor sich gehen kann, muss in der Lauge Gas in einer Menge vorhanden sein, welche die von der Flüssigkeit absorbierbare Gasmenge übersteigt. Dies ist durch Einführung einer überschüssigen Gasmenge vor dem Wärmeaustausch leicht zu erreichen.
Bei der praktischen Durchführung wird zweckmässig die Rohlauge zusammen mit dem Gas vor ihrem Eintritt in den Reaktor durch einen gleichzeitig als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher geschickt. Diesem wird wenigstens ein Teil des aus der Reaktionszone austretenden Ablaufes als wärmeführendes Medium zugeleitet, welches die Erwärmung und Konzentrierung der Rohlauge in Gegenwart von Gas bewirkt. Zweckmässig ist ein Separator für den Reaktorablauf vorgesehen, von dem über eine mit Ventil ausgestattete Zweigleitung od. dgl. wenigstens ein Teil des Ablaufes dem Wärmeaustauscher für die Konzentrierung des Reaktorzulaufes zugeleitet werden kann. Die Menge des so verwendeten Reaktorablaufes wird so geregelt, dass die dem Reaktor zuzuführende Lauge den gewünschten Wärmeinhalt erhält, ohne dass sie zu Verstopfungen Anlass gibt.
Unter diesen Bedingungen wird die Temperatur der für den Reaktor bestimmten Lauge erhöht und diese durch Verdampfung konzentriert. Die Mindestvorwärmtemperatur für die Reaktorlauge beträgt etwa 138 C. Bei diesen Verhältnissen hat das in Wasser verteilte, brennbare Material einen genügend hohen Wärmeinhalt, um die Reaktion bei praktisch konstant bleibenden Temperaturund Druckverhältnissen aufrechtzuerhalten. Die maximal zulässige Temperatur für die Vorwärmung wird zweckmässig durch Bestimmung jenes Punktes festgelegt, bei welchem in der Anlage eine Ablagerung oder Verfestigung der Ablauge od. dgl. auftritt. Kurz gesagt, wird also der Heizwert vor dem Eintritt der Lauge in den Reaktor vergrössert.
Durch Änderung der Partialdruckbedingungen in dem gleichzeitig als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher kann die Konzentration der in den Reaktor einzuführenden Lauge in gewünschter Weise geändert werden. Voraussetzung für das Verfahren ist, dass eine genügende Menge an Luft oder einem andern Gas vorhanden ist, um zu erreichen, dass die Menge des verdampfenden Wassers nur von der Menge des für den Wärmeaustausch mit dem Zufluss bestimmten Ablaufes aus dem Reaktionsgefäss abhängig ist.
Durch Regulierung der vom Reaktor zu dem als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher geleiteten Wärmemenge kann die Eindickung genau geregelt werden.
Mit Hilfe einer mit Ventil ausgestatteten, vom Reaktor zum Wärmeaustauscher führenden Zweigleitung kann eine wirksame Regelung leicht erreicht werden. Wenn die Konzentration in der für den Reaktor bestimmten Lauge schwankt, so kann durch Betätigung des Ventiles der Zweigleitung entsprechend mehr oder weniger Ablauf dem Wärmeaustauscher zugeführt werden. Eine ge- gebene Anlage kann also auf diese Weise so geführt werden, dass sie in ihrer Kapazität variieren kann und sich selbst einer Änderung der Konzentration des brennbaren Materials in der wässerigen Dispersion während des Betriebes anpasst.
An Stelle einer mit Ventil versehenen Zweigleitung kann selbstverständlich auch eine andere Anordnung benutzt werden. So kann z. B. ein Separator vorgesehen sein, der den ganzen Reaktorablauf oder einen Teil davon aufnehmen kann.
Wenn Lauge mit hohem Heizwert als Charge für den Reaktor verwendet wird, so kann die überschüssige Wärme, z. B. in hocherhitzten Gasen, für andere Zwecke verwendet werden, während die Lauge oder der Rückstand aus dem Separator in dem als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher benützt wird. Nach einer andern Möglichkeit können die heissen Gase für die Eindickung verwendet werden oder auch eine Mischung der Gase mit dem flüssigen Rückstand bzw. je ein Teil davon. Für die vorliegende Erfindung können mehrstufige Separatoren und Wärmeaustauscher verwendet werden, wobei mehrere Reguliervorrichtungen vorhanden sein können. In jedem Falle muss die verwendete Einrichtung eine solche Regulierung zulassen, dass der Zulauf zum Reaktor auf wenigstens 200, 5 kcal pro Liter gehalten werden kann und die Konzentration unter jener bleibt, bei der eine Verstopfung eintritt.
In der Zeichnung ist das erfindungsgemässe Verfahren an Hand zweier Verfahrensschemata (Fig. 1 und Fig. 2) näher erläutert.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch einen als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher 1 und eine Reaktionszone 2, deren Ablauf direkt diesem Wärmeaustauscher 1 zugeführt wird und eine regulierbare Wärmequelle bildet. Der strichpunktiert gezeichnete Separator 5 ist für die Regulierung nicht unbedingt erforderlich. Die Zweigleitungsventile 3 und 4 ermöglichen eine genaue Regulierung des Zuflusses des Reaktorablaufes zum Wärmeaustauscher.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage wird das Ausgangsmaterial, welches einen bestimmten Heizwert besitzt, über eine Pumpe 6 durch eine Reihe von Wärmeaustauschern 7,7', 7" gepumpt, in welchen der Wärmeinhalt der Lauge allmählich auf die für die Selbstoxydation und die kontinuierliche Einführung in die Reaktionszone ge- wünschte Höhe gebrachtwird. Von diesen Wärme- austauschern dient der erste 7 als Vorwärmer, der zweite 7'als Eindampfer und der dritte 7" als Starthilfe für den Reaktor. Der letzterwähnte Wärmeaustauscher 7" wird nur für die Inbetriebsetzung des Reaktors benützt und wieder abgeschaltet, sobald die für einen von selbst sich erhaltenden Reaktionsablauf erforderlichen Bedingungen im Reaktor erreicht wurden.
Dampf zum Starten des Prozesses wird über ein Sperrventil 11 in den dritten Wärmeaustauscher geleitet. In den Reaktoren 12, 12', 12" wird eine praktisch vollständige Oxydation erzielt. Luft wird durch einen Kompressor 8 und Luftein-
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trittsventile 9, 10 mit dem Ausgangsmaterial vereinigt und in die Wärmeaustauscher 7 eingebracht. Als Reaktionsprodukt ergeben sich Kohlendioxyd, Stickstoff, überschüssiger Sauerstoff, Dampf, Asche und Wasser. Diese Produkte treten aus der Reaktionszone aus und werden in dem Separator 13 einer geeigneten Trennung unterworfen.
Ein Teil des Reaktorablaufes wird über eine Leitung mit der in der Reaktionszone erhaltenen Temperatur (abzüglich von Wärmeverlusten durch Strahlung) je nach den Erfordernissen in die Wärmeaustauscher geleitet. 14 und 15 sind Regulierventile, 16 ein Kühler für den Laugenablauf. Nach Fig. 2 werden sowohl die flüssigen als auch die gasförmigen Komponenten des Reaktorablaufes zum Erhitzen verwendet.
Vor der Einführung des vorgewärmten brennbaren Materials in die Reaktionszone wird in die Lauge Luft eingepumpt. Die Lufteintrittsöffnung liegt zwischen ersten und zweiten Wärmeaustauscher 7. Der Eindampfer der Wärmeaustauscher hängt von der Einstellung der Temperatur für das aus dem Separator 13 in den als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher fliessende Material ab. Es findet eine kontinuierliche Verdampfung statt, wodurch die Konzentration des organischen Materials der durchfliessenden wässerigen Dispersion vor dem Eintritt in die Reaktionszone ge- ändert wird.
Die folgenden Beispiele erläutern die Anwendung des Verfahrens für typische, organische Industrieabfälle durch Regelung der Konzentration der brennbaren Stoffe in Wasser mit Hilfe der Zweigleitung.
Beispiel 1 : Bei Benützung der schematisch in Fig. 2 dargestellten Anlage wird in dem für die Vorwärmung bestimmten Wärmeaustauscher 7 die Temperatur der in die Reaktionszone 12 einzutragenden Lauge von der Lagerungstemperatur auf etwa 77 C, bei einem Druck von etwa 60 atm erhöht. Zwischen dem als Vorwärmer wirkenden Wärmeaustauscher 7 und dem als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher 7'wird Luft eingeführt. Die Reaktionsanlage, in welche die Mischung der organisch wässerigen Dispersion mit dem Gas eingeführt wird, besteht aus drei Reaktionsgefässen 12, 12', 12" (Fig. 2).
Die Anlage wird unter einem Druck von etwa 57 atm gehalten und die Temperatur auf 214, 4 0 C erhöht. Diese Temperatur wird vor dem Eintritt der Abfallauge in den Reaktor eingestellt, indem (aus dem ersten Separator 13 stammender) Dampf über die Zweigleitung und den Wärmeaustauscher 7'zirkuliert. In der Reaktionszone 12, 12', 12"ergab sich eine Höchsttemperatur von etwa 256 C bei einem Druck von etwa 57 atm. Bei Verwendung eines Heizmaterials mit einem Heizwert von etwa 374, 3 kcal/Liter konnte ohne Verstopfung der Anlage kontinuierlich gearbeitet werden, wobei genügend Ablaufhitze geliefert wurde, um ausser für die Vorwärmung auch noch Wärme für andere Zwecke anwenden zu können.
Als Rohlauge wurde dabei eine halbchemische Natronzellstoffablauge verwendet, also ein Vertreter jener organischen Abfallstoffe, die eine wirtschaftliche Verwertung verlangen. Die Konzentration des Materials beim Eintritt in das erste Reaktionsgefäss entsprach etwa 458 kcalj Liter.
Beispiel 2 : In der gleichen Anlage wie nach Beispiel l wurde das gleiche Ausgangsmaterial in dem als Eindampfer wirkenden Wärmeaustauscher 7'auf 232 0 C erhitzt. Die Konzentration der Lauge erhöhte sich sehr stark und im Reaktor 12'traten Störungen ein, so dass die Kontinuität des Verfahrens unterbrochen wurde. Die Konzentration der in das erste Reaktionsgefäss 12 eintretenden Lauge entsprach einem Wärmeinhalt von 568 kcal/Liter.
Beispiel 3 : In der gleichen Anlage wie in den vorhergehenden Beispielen wurde eine halbchemische Natronzellstoffablauge mit etwa 227, 3 kcal pro Liter behandelt, und mit Hilfe der geschilderten Einrichtung bei völlig geöffnetem Ventil 15 der Zweigleitung eine hinreichende Eindickung erreicht. Die Konzentration der Lauge beim Eintritt in die Reaktionszone entsprach 334, 2 kcal/Liter. In der Reaktionszone konnte mit dieser Lauge eine geeignete Verbrennung in flüssiger Phase aufrechterhalten werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kontinuierliches Verfahren zur Oxydation von in einer Flüssigkeit dispergierten, brennbaren Stoffen durch einen sich selbst aufrechterhaltenden Oxydationsvorgang, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion mit einer Menge eines sauerstoffhaltigen Gases gemischt wird, welche die durch die Dispersion absorbierbare Gasmenge übersteigt, und in diesem Gemisch durch Wärmeaustausch mit wenigstens einem Teil der die Reaktionszone verlassenden Medien, das Verhältnis des brennbaren Materials zum Wasser durch Eindampfen auf einen Wert erhöht wird, bei welchem der Oxydationsvorgang sich selbst aufrechterhält.