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Verfahren und Vorrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen
Reaktionen
Die Erfindung betrifft eine Reihe von chemischen Vorgängen, bei welchen eine exotherme Reaktion unter gleichzeitigem Verbrauch, z. B. von Luft oder anderen Gasen oder Dämpfen, die eine oder mehrere Reaktionskomponenten bilden, verläuft.
Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird entweder bei der weiteren Verarbeitung der Reaktionsprodukte verbraucht oder muss aus der Einrichtung entfernt werden.
Im letzteren Falle erfolgt die Wärmeableitung in verschiedenster Weise. Manchmal kann die Wärme zur Dampferzeugung oder zu anderen Zwecken verwendet werden. In anderen Fällen ist eine solche Ausnützung nicht möglich und die Reaktionswärme wird dann meistens mit dem Kühlwasser in den Abfall geleitet.
Falls die Reaktionswärme zur Dampferzeugung dient, wird der Dampf entweder zu technologischen Zwecken oder zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Turbogenerator mit einer Kondensationsdampfturbine verwendet. Der Wärmewirkungsgrad einer solchen Einrichtung ist allerdings gewöhnlich nicht allzu hoch, denn meistens wird Dampf von niedrigen Charakteristika erzeugt. In elektrische Energie wird ein verhältnismässig geringer Teil der Wärme umgewandelt. Der grössere Teil wird im Kondensator ins Kühlwasser abgeführt, dessen Verbrauch dann infolge Einführung der sekundären Erzeugung von elektrischer Energie bedeutend erhöht wird.
Ausserdem ist die Verwendung von Wasser oder Dampf zum Abkühlen der Reaktionsprodukte unvorteilhaft, denn bei eventuellen Undichtheiten kann das Wasser mit den Reaktionsprodukten aggressive Verbindungen bilden, die eine Korrosion der Einrichtung verursachen.
Als Beispiel des bisherigen nicht zufriedenstellenden Zustandes kann die Erzeugung von Schwefelsäure aus armen Pyriten dienen. Das arme Roherz wird zuerst flotiert, das angereicherte Konzentrat getrocknet und in Röstöfen geröstet. Beim Rösten wird eine bedeutende Wärmemenge freigesetzt (z. B. 1200 kcal/kg Pyrit), die aus dem Ofen einerseits durch die Röstgase von hoher Temperatur (etwa 800 bis 900 C), anderseits durch feste Rückstände (Abbrände) und ferner durch Verluste in die Umgebung abgeführt werden. Die Schwefeldioxyd enthaltenden Röstgase werden vor der weiteren Verarbeitung in einem zur Erzeugung von Wasserdampf dienenden Abwärmekessel abgekühlt. Die Ausnützung des Wasserdampfes für teclmologische Zwecke in der Erzeugung von Schwefelsäure selbst ist nicht möglich.
Wenn keine andere geeignete Verbrauchsstelle zur Verfügung steht, bleibt zu dessen Ausnützung nur die Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Kondensationsturbine übrig, die mit all den obangeführten Nachteilen behaftet ist.
Alle diese Mängel der bisherigen Verfahren, die insbesondere in der Korrosionsgefahr, ungenügender Wärmeausnützung und grossem Kühlwasserverbrauch beruhen, werden durch die Anordnung des Arbeitsverfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung beseitigt. Bei dieser Anordnung wird zum Abkühlen der Reaktionsprodukte ein solcher Stoff verwendet, welcher mit denselben keine aggressiven Verbindungen bildet und welcher gleichzeitig die Möglichkeit einer zweckmässigen Ausnützung der Abwärme bietet. Einen solchen Stoff kann z. B. eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder ein für den Verlauf der Reaktion erforderlicher Stoff bilden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen durch Vorwärmen der Reaktionskomponenten, gegebenenfalls auch in grösseren Mengen als die Reaktion selbst erfordert, mittels der heissen Reaktionsprodukte ist dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten Reaktionskomponenten vor ihrem Einsatz zur chemischen Reaktion als Arbeitsmedium eines mechanische Arbeit liefernden Wärmemotors, gegebenenfalls noch mit einem andern geeigneten Wärmeverbraucher kombiniert, benützt werden.
Bei der Erzeugung von Schwefelsäure bieten sich in Verbindung mit dem erfindungsgemässen Verfahren weitere Möglichkeiten der effektiven Ausnützung der Abwärme dadurch, dass nicht nur die Röstgase sondern auch die festen Röstrückstände zum Vorwärmen der Luft verwendet
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werden können.
Bei dem Kontaktverfahren zur Erzeugung der Schwefelsäure kann erfindunggemäss mit Vorteil ein Teil der Warmluft aus dem Arbeit liefernden Wärmemotor direkt in den Kontaktkessel zugeführt werden.
Das Wesen der Erfindung ist im weiteren an Hand eines Beispieles der Anordnung des Arbeitsvorganges bei der Erzeugung von Schwefelsäure aus Pyriten gemäss dem in der beigefügten Zeichnung dargestellten Schema erläutert.
Der eigentliche technologische Vorgang der Erzeugung von Schwefelsäure bleibt unverändert. Zwecks Abkühlung des Röstgases wird jedoch gemäss der Erfindung eine Vorrichtung benützt, bestehend aus einem Luftkompressor 1 mit Zwischenkühlung 7, Wärmeaustaucher 2, Lufterwärmer 3, Luftturbine 4 und elektrischem Generator 5. Die Vorrichtung ist an einen Röstofen 6 angeschlossen. Als Kühlmedium wird hier Luft verwendet, die gleichzeitig einen der für die Reaktion erforderlichen Stoffe bildet.
Der Kompressor 1 liefert die auf einen geeigneten Druck (z. B. 5 at) komprimierte Luft, die durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchtritt und im Erwärmer 3 die aus dem Röstofen 6 austretenden Röstgase bzw. auch Abbrände abkühlt. Die auf eine hohe Temperatur erwärmte Luft expandiert in der Luftturbine 4, wo sie Arbeit verrichtet. Die Turbine 4 treibt den Kompressor 1 an und durch den Leistungsüberschuss den elektrischen Generator 5. Ein Teil der aus der Turbine 4 austretenden Warmluft wird in den Ofen 6 zum Rösten von Pyrit geleitet, während mit dem Rest im Wärmeaustauscher 2 komprimierte Luft vorgewärmt wird. Diese verbleibende Luft wird entweder in die Atmosphäre weitergeleitet oder kann z. B. zum Trocknen, Heizen oder für andere technologische Zwecke verwendet werden.
Im Falle der Erzeugung von Schwefelsäure durch das Kontaktverfahren kann die warme Luft aus der Turbine 4 ohne an dem Röstprozess teilzunehmen in den nichtgezeichneten Kontaktkessel eingeführt werden, wo die Oxydation von S02 zu S03 abläuft. Weil dadurch der Sauerstoffgehalt dieser Oxydation mindestens teilweise gedeckt wird, können die aus dem Röstofen 6 austretenden Röstgase einen kleineren 02-Gehalt aufweisen als für die Oxydation von S02 zu S03 notwendig ist. Deshalb kann der Röstofen mit einem kleineren Luftüberschuss arbeiten, so dass der SOg-Gehalt in den Röstgasen auf über 8% erhöht werden kann.
Die Luft- und Gasmasse, die durch den Röstofen 6 und die folgenden Einrichtungen, d. h. den Erwärmer 3, den Staubabscheider und andere Einrichtungen zur Gasreinigung (nicht gezeichnet) durchfliesst, ist also erfindungsgemäss verkleinert, wodurch auch die eigene Einrichtung und die Wärmeverluste verkleinert werden können. Die Temperatur der betreffenden Reaktionskomponenten, die aus der Turbine 4 in den Reaktor 6 übertreten, kann nach der Zusammensetzung des gerösteten Materiales reguliert werden, damit die geeignetste Rösttemperatur auch bei der Änderung der Zusammensetzung des gerösteten Materiales eingehalten werden kann.
In dem dargestellten Beispiel wird Wasser nur zum Zwischenkühlen der Luft bei deren Komprimieren verwendet, u. zw. im Wärmeaustauscher (Kühler) 7. Der Kühlwasserverbrauch ist hier also bedeutend geringer als bei einer Kondensationsdampfturbine und bei der Verwendung eines nicht gekühlten Kompressors entfällt der Verbrauch überhaupt. Keinesfalls kann hier Wasser mit den Röstgasen in Berührung kommen, mit denen es eine die Korrosion der Vorrichtung hervorrufende aggressive Verbindung bilden könnte, wie dies bei den bisherigen Ausführungen der Fall ist.
Die Luftturbine 4 arbeitet teilweise als Gegendruckturbine, was die Erzeugung einer grösseren Menge von elektrischer Energie als bei der Benutzung der bisher verwendeten Kondensationsdampfturbine ermöglicht.
Die Verwendung von vorgewärmter Luft zum Rösten ist vorteilhaft, da die erforderliche Temperatur im Röstofen 6, z. B. durch Rezirkulation der abgekühlten Röstgase oder durch Verwendung eines ärmeren Pyrits, geregelt werden kann, wodurch weitere Ersparnisse bei dessen Vorbehandlung erreicht werden können. Die Kombination einer Gegendruck-Luftturbine mit einem Röstofen gemäss der Erfindung ist insbesondere bei den neueren Ofentypen vorteilhaft, z. B. bei Verflüssigungsöfen oder Schmelzherdöfen, denn in einem solchen Falle ermöglicht sie eine unmittelbare Verarbeitung von sehr armen Pyriten ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Flotation, d. h. unter bedeutend verringerten Erzeugungskosten.
Die erfindungsgemässe Anordnung kann verschiedenartig kombiniert werden. Im gegebenen Falle kann man z. B. das Luftturbinenaggregat 4, 1, 5 an mehrere Öfen 6 anschliessen. Dadurch wird eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und ein gleichmässigerer Gang der Luftturbine 4 erreicht, wobei die einzelnen Öfen 6 zwecks Reparaturen u. dgl. unabhängig aus dem Betrieb abgestellt werden können.
Insofern ein oder mehrere Öfen 6 einen gleichmässigen Gang der Gasturbine 4 nicht gewährleisten würden, kann man in die Einrichtung eine zusätzliche Verbrennungskammer installieren, am besten eine durch eine nicht gezeichnete automatische Regulation betätigte Verbrennungskammer für einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff. Soweit der Betrieb der Öfen 6 der vollen Leistung der Luftturbine 4 entspricht, befindet sich diese zusätzliche Verbrennungskammer im Ruhezustand. Sobald jedoch unter Einfluss eines ungleichmässigen Ganges der Öfen die Leistung der Luftturbine unter eine bestimmte Grenze sinken sollte, wird die zusätzliche Verbrennungskammer automatisch in Betrieb gesetzt, die die Wärmeenergie auf die volle Leistung der Luftturbine ergänzt.
Die zusätzliche Verbrennungskammer kann gleichzeitig auch zur
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Regelung der Temperatur der in die Röstöfen eingeführten Luft verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann analog und mit den gleichen Vorzügen auch bei andern exothermen chemischen Reaktionen, wie z. B. bei der Herstellung von SNOG, Wassergas und Zinkweiss, bei der Karbonisierung fester Brennstoffe mit innerer Erhitzung oder bei der Konversion von Methan zu Wasserstoff verwendet werden, ohne dass diese andere Verwendungsweise von dem eigentlichen Wesen des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung abweicht.
So ist es z. B. möglich, auch die nach dem beschriebenen Prinzip durch einen Wärmemotor erzeugte mechanische Energie zur Deckung des Eigenverbrauches an Energie von Erzeugungsverfahren (Absorption, Konversion u. dgl. ) bei erhöhtem Druck zu verwenden.
Als weiteres Beispiel wird nachstehend die Erzeugung von Wassergas im sogenannten Winklerschen Generator beschrieben. Es wird ein fester Brennstoff (z. B. kleinstückiger Koks) in der Schwebe durch ein Gemisch von Dampf und Sauerstoff bzw. auch Luft, vergast. Das aus dem Generator austretende Gas hat eine Temperatur von 900 bis 10000 C und seine Wärme wird gewöhnlich zur Erzeugung von Dampf in Abwärmekesseln ausgenützt. Als Schema der Anordnung kann dieselbe Zeichnung dienen.
In den Reaktor 6 (Vergasungsgenerator) wird in genügender Quantität der zum Vergasen bestimmte Koks eingeführt und als zweite Reaktionskomponente wird hiezu die Vergasungsmischung von entsprechender Zusammensetzung (Sauerstoff, Luft, Wasserdampf) aus der Turbine 4 zugeführt. Die betreffende Vergasungsmischung wird in dem Kompressor 1 komprimiert und im Wärmeaustauscher 3 auf die erforderliche Temperatur erhitzt, wobei die Wärme des aus dem Reaktor 6 austretenden Gases ausgenützt wird.
Als gasförmige Reaktionskomponente und gleichzeitig als das Arbeitsmedium des Wärmemotors ist in diesem Falle also die Mischung von Dampf, Luft und Sauerstoff anzusehen.
In der erfindungsgemässen Einrichtung wird im Gegensatz zu den bis jetzt bekannten die Abwärme zweckmässiger ausgenützt, wobei gleichzeitig Reaktionskomponenten von hoher Temperatur erzeugt werden. Dieser Umstand wirkt sich besonders günstig aus im Falle des Betriebes eines Vergasungsgenerators mit Abfuhr von flüssiger Schlacke. Die erhöhte Wärmezufuhr zum Generator 6 in der Vergasungsmischung trägt auch zur Deckung des Verbrauches der vorhergehenden endothermen Reaktionen bei und führt zur Herabsetzung des Sauerstoffverbrauches.
Bei der Erzeugung von Zinkweiss wird das metallische Zink in einer mittels Generatorgas beheizten Retorte geschmolzen, verdampft und erst dann werden die Zinkdämpfe mit vorge- hitzter Luft zu ZnO verbrannt, wobei eine bedeutende Wärmemenge frei wird. Das tragende
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Temperatur, z. B. 800 C, und wird nach der Abtrennung von ZnO gewöhnlich ohne Abwärmeausnutzung entweichen gelassen.
Das Anordnungsschema gemäss diesem Beispiel kann auch an Hand der beigeschlossenen Zeichnung verfolgt werden und ist prinzipiell der Erzeugung von H2S04 analog, mit dem Unterschied, dass in dem Reaktor 6 gleichzeitig mit der Luft aus der Turbine 4 Zinkdämpfe zugeführt werden und dass aus der Anlage das Zinkweiss in Pulverform abgeführt wird. Das tragende Gas, welches aus dem Reaktor 6 austritt und das ZnO enthält, erhitzt erfindungsgemäss im Wärmeaustauscher 3 die durch den Kompressor 1 komprimierte Luft für die Turbine 4. Nach der Abtrennung des ZnO (nicht eingezeichnet) wird das Gas entweichen gelassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen, durch Vorwärmen der Reaktionskomponenten, gegebenenfalls auch in einer grösseren Menge als die Reaktion selbst erfordert, mittels der heissen Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten Reaktionskomponenten vor ihrem Einsatz zur chemischen Reaktion als Arbeitsmedium eines mechanische Arbeit liefernden Wärmemotors (4), gegebenenfalls noch mit einem andern geeigneten Wärmeverbraucher kombiniert, benützt werden.
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