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Verfahren zur Abführung von Wärme beim Wirbelschichtrösten von fein zerteiltem Material
Die Erfindung bezieht sich auf die Inberührungbringung von Feststoffen mit Gasen nach dem sogenannten Wirbelschichtverfahren.
Sie ist insbesondere von Bedeutung in Zusammenhang mit dem Rösten von sulfidischen Erzen wie Pyrit, für die Herstellung von Schwefeldioxydgas und Eisenoxydabbränden, ist jedoch ebenso für die Temperaturkontrolle beim Wirbelschichtrösten jedes beliebigen fein zerteilten Materials, das bei Rösttemperatur exotherm reagiert, geeignet.
Die Wirbelschicht- oder Staubfliesstechnik kann als ein Verfahren beschrieben werden, bei welchem eine Masse fein zerteilter Feststoffe (Korngrösse bis zu etwa 1, 2 cm) in einem aufsteigenden Gasstrom unter solchen Bedingungen suspendiert wird, dass sich die Masse ausdehnt und bewegt wird, so dass sie sich sehr ähnlich wie lebhaft kochendes Wasser verhält. Unter diesen Umständen befinden sich die Feststoffe durchgehend in einer turbulenten Zick - Zackbewegung. Ein solche suspendierte Masse wird als Wirbelbett bezeichnet.
Die Gas-Feststoffberührung im Wirbelbett ist überraschend wirkungsvoll und die Durchmischung so gründlich, dass innerhalb des Bettes praktisch überall Gleichförmigkeit der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung herrscht. Seinem Charakter zufolge muss ein Wirbelbett notwendigerweise vorwiegend aus vollständig behandeltem Material bestehen. Eingebrachtes Material wird augenblicklich über das ganze Bett verteilt, welches als Wärmereservoir und als Verteiler für die Beschickung dient, so dass die letztere fast sofort, ebenso wie das aufsteigende Gas, die Temperatur der fluidierten Masse annimmt und Beschickung und Behandlungsgas, sobald sie miteinander in Kontakt kommen, sich bereits auf Reaktionstemperatur befinden.
Das Wirbelschichtrösten von Sulfiden ist ein exothermer Vorgang, bei dem eine beträchtliche Wärmemenge abgegeben wird. Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit und die Schwefelmenge in der Beschickung genügend gross sind, muss die freigesetzte überschüssige Wärme aus dem Bett entfernt werden, da die Temperaturen sonst den Schmelzpunkt der gerösteten Teil-
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C liegen,von Kaltluft oder durch Rückführung gekühlter
Abgase oder gekühlten Abbrandes. Weiters wurde vorgeschlagen, zur direkten Kühlung solche flüssige oder feste Stoffe in das Bett einzuführen, welche innerhalb des Bettes ihren physikalischen oder chemischen Zustand ändern und dabei der Schicht Wärme entziehen.
Diese direkten Kühlmassnahmen können jede für sich, aber auch gemeinsam oder in Kombination mit indirekter Wärmeabführung mittels Wärmetauchern angewendet werden.
Während also die indirekt arbeitenden, fix eingebauten Wärmetauscher zwar eine wirtschaftliche Ausnutzung der Überschusswärme in Form von Nutzdampf gestatten, den unvermeidlichen Betriebsschwankungen aber nicht in erforderlichem Masse angepasst werden können, lässt sich vermittels der direkten Kühlmassnahmen zwar eine sehr genaue Temperaturregelung erzielen, doch geht in diesem Fall die dem System entzogene Wärme für die praktische Wiedergewinnung verloren. Die Nutzbarmachung zumindest des überwiegenden Teiles der Überschusswärme in Form von Nutzdampf ist aber eine Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit des Betriebes, die jedoch durch eine bloss willkürliche Kombination der verschiedenen bekannten Kühlmittel nicht erfüllt werden konnte.
Die Erfindung beseitigt nun diesen Nachteil und ermöglicht es, die Vorteile einer gleichmässigen, maximalen Dampferzeugung und einer genauen, den jeweiligen Betriebsverhält- nissen'anpassbaren Temperaturregelung miteinander zu vereinigen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kühlschlangen oder anderen dauernd arbeitenden indirekten Wärmetauschelemente zur Aufnahme eines vorbestimmten Hauptanteiles, z. B. ungefähr 80%, der Überschusswärme des mit voller Kapazität arbeitenden Reaktors verwendet werden, und dass die direkt Wärme absorbierenden Massnahmen regelbar und wahlweise zur Aufnahme des restlichen Teiles der Überschusswärme angewendet werden.
Durch diese besondere Kombination von direkter Temperaturkontrolle mit dampferzeugenden Kühlelementen ist eine hohe Anpassungsfähigkeit der Anlage gewährleistet. Unter allen Umständen, so lange der Reaktor überhaupt mit einer zweckmässigen Kapazität arbeitet, werden die Wärmetauscher verlässlich die vorbestimmte Menge an Wärme aufnehmen bzw. an Dampf erzeugen, während jede zusätzliche Wärmemenge in genau der gewünschten Menge und zu dem gewünschten Zeitpunkt mit Hilfe der direkten Kühlmassnahmen abgeführt werden kann und nur dieser geringe Wärmeüberschuss für die praktische Wiedergewinnung verloren zu gehen braucht.
Es soll beispielsweise ein für die Röstung von 100 t pro Tag eines 46, 5 /o Schwefel ent- haltenden Pyrits bestimmter Wirbelschichtofen bei einer Temperatur von 9000 C betrieben werden. Die erwünschte Dampftemperatur aus den Kühlschlangen soll 240 C betragen. Beim Rösten mit einem geringen Luftüberschuss (10%) beläuft sich die in der Kammer erzeugte über- schüssige Reaktionswärme auf 2, 172. 240 Kcal pro Stunde. Die Schlangen absorbieren 1, 738. 800, direkt in das Bett eingespritztes Wasser absorbiert 433. 440 Kcal pro Stunde. Diese durch das eingebrachte Wasser absorbierte Wärmemenge wird in den aus dem Reaktor austretenden Gasen mitgeführt ; die von den Schlangen aufgenommene Wärme wird in einem Abwärmekessel rückgewonnen.
Unter den obigen Bedingungen be- trägt die Dampfausbeute 1, t Dampf pro t Pyrit. Wird der gleiche Reaktor unter den gleichen Bedingungen, aber bei einer Beschickungsgeschwindigkeit von nur 80 t pro Tag betrieben, beträgt die überschüssige Wärme 1, 738. 800 Kcal pro Stunde. Dieselbe wird vollständig durch die Kühlschlangen abgeführt und Wasserzufuhr ist nicht erforderlich. Unter diesen Bedingungen werden 1, 51 t Dampf pro t Pyrit gewonnen. Bei einer Zuführungsgeschwindigkeit von 120 t pro Tag hingegen beträgt die überschüssige Reaktionswärme bei dem gleichen Reaktor 2, 608. 200 Kcal pro Stunde, wovon 1, 738. 800 durch die Schlangen und 869. 400 durch Wasserzufuhr abgeführt werden. Unter diesen Bedingungen werden 1, 34 t Dampf pro t Pyrit gewonnen.
Wenn auch das Verhältnis zwischen der durch die Kühlschlangen und der durch Zuführung von Wasser oder Überschussluft abgeführten Wärmemenge je nach dem verwendeten Reaktor variiert werden kann, soll doch im allgemeinen durch die Kühlschlangen oder sonstigen Wärmetauschelemente etwa 800/o der Wärme entzogen werden, die bei der beabsichtigten Kapazität des Reaktors erzeugt würde, während die restliche Wärme durch die unabhängigen Kontrollmassnahmen zu entfernen ist. Bei einer Kapazität von 80'vu genügen daher die Schlangen allein. Bei höherer Kapazität absorbieren die Schlangen weiterhin die gleiche Wärmemenge, aber die Bettemperatur bleibt dennoch konstant, da die überschüssige Wärme durch unabhängige Mittel entfernt wird.