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Verfahren zur Oxydation von Stoffen, die in einer oxydationsbeständigen
Flüssigkeit suspendiert oder gelöst sind
Bei chemischen Umsetzungen entstehen oft in einer Flüssigkeit gelöste oder suspendierte Stoffe, die oxydiert werden sollen, weil sie beispielsweise Abfallprodukte sind, die beseitigt werden müssen. Es ist bekannt, die suspendierten Stoffe durch Filter von der Flüssigkeit abzutrennen und zu oxydieren. Dieses Verfahren ist jedoch sehr umständlich.
Insbesondere ist die Oxydation der abgetrennten, feuchten Stoffe schwierig, weil die kleinen Feststoff-Teilchen meist als Klumpen mit relativ grosser Oberfläche vorliegen
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zur Dampferzeugung verwendet werden soll, macht die gelegentlich in den überhitzten Bezirken unkontrollierbar freiwerdende Verbrennungswärme einen geregelten Betrieb unmöglich, insbesondere dann, wenn wechselnde Mengen der zu oxydierenden Substanz oxydiert werden müssen.
Es ist bekannt, Sulfitablaugen in einem indirekt beheizten Rohr oder in einem Verbrennungsraum zu verdampfen, mit Luft teilweise zu verbrennen und den Rückstand vom Dampf zu trennen und zu verbrennen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass in einer besonderen Trennanlage der Rückstand vom Dampf getrennt werden muss. Es ist ferner bekannt, Brennstoff und Luft einer Brennkammer tangential zuzuführen und gleichzeitig die zu verbrennenden Stoffe zentral in die Brennkammer einzudüsen und zu zerstäuben. Dieses Verfahren ist für die Oxydation fester Brennstoffe bekannt und lässt sich nicht ohne weiteres auf in Flüssigkeiten gelöste oder suspendierte Stoffe übertragen.
Es wurde nun gefunden, dass man diese Schwierigkeiten vermeidet, wenn man die den zu oxydierenden Stoff enthaltende oxydationsbeständige Flüssigkeit in eine rotationssymmetrische Kammer einführt, weitgehend verdampft, die zurückbleibenden Stoffe in schraubenförmigen Bewegungen mit einem Gasstrom weiterführt, mittels einer Einschnürung des Gasstromes mit sauerstoffhaltigem Gas innig vermischt und weitgehend oxydiert. Als Stoffe, die bevorzugt oxydiert werden, seien beispielsweise Russ, Acetylenpolymerisate, Polymerisate anderer organischer Verbindungen und Sulfitablaugen genannt. Oxydationsbeständige Flüssigkeiten sind beispielsweise Wasser und Schwefelsäure. Unter einer rotationssymmetrischen Kammer ist beispielsweise eine zylindrische, eiförmige oder kegelförmige Kammer zu verstehen.
Zur Mischung von Gasstrom und sauerstoffhaltigem Gas hat sich eine Blende gut bewährt. Diese Blende unterteilt die rotationssymmetrische Kammer in zwei Zonen. In der ersten Zone findet überwiegend die Verdampfung der Flüssigkeit und nur teilweise Oxydation statt, in der zweiten Zone wird die Oxydation vervollständigt.
Die zur Verdampfung der oxydationsbeständigen Flüssigkeit benötigte Wärmemenge erzeugt man zweckmässig mit einem Brenner, dessen Flamme man einen Überschuss an sauerstoffhaltigem Gas zuführt.
Die Aufgabe, Abfallstoffe zu oxydieren, besteht in der Technik beispielsweise bei der Beseitigung von Nebenprodukten der Acetylen-Herstellung. Bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen, z. B. bei der Herstellung von Acetylen durch partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen, durch Spal- tung von Kohlenwasserstoffen im elektrischen Lichtbogen oder mit Hilfe von festen oder gasförmigen Wärmeträgern, entsteht Russ, der in dem zur Abschreckung in die heissen Gase eingespritzten Wasser, im
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Abwasser von direkt wirkenden Gaskühlern und im Waschwasser von Gasfiltern suspendiert ist. Die Haupt- menge des Russes wird in bekannter Weise dadurch abgetrennt, dass man ihn aufschwimmen lässt und in
Form eines noch stark wasserhaltigen Schlammes abtrennt.
Da man diesen russhaltigen Schlamm nicht in
Abwasserkanäle ablaufen oder im Boden versickern lassen kann, hat man versucht, den Russ durch Dreh- filter zu entfemen und auf dem Rost eines Dampfkessels zu verbrennen. Diesem Verfahren haften die ein- gangs erwähnten Mängel an.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens hat sich gezeigt, dass man Russ in wässeriger
Suspension, die zweckmässig so viel Wasser, dass die Mischung noch pumpfähig ist, z. B. 80-99 Gew.-%
Wasser, enthält, gemäss der Erfindung vollständig und ohne Überhitzung verbrennen kann. Bei Verwen- dung einer geeigneten Förder- und Dosier-Vorrichtung, z. B. einer Förderschnecke, ist es auch möglich, einen Russschlamm mit weniger als 80 Gew.-% Wasser in die erste Zone der Verbrennungskammer einzu- führen und ohne Überhitzung nach dem erfindungsgemässen Verfahren zu verbrennen.
In einer nicht durch eine Einschnürung, z. B. eine Blende, unterteilten Kammer ist eine vollständige
Oxydation wegen der geringen Konzentration von Russ und Sauerstoff nicht oder nur mit einem grossen Wärmeaufwand möglich.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Vermischung des in der Nähe der Wand der Verbrennungskammer in schraubenförmigen Bewegungen geführten, weitgehend getrockneten Russes mit freiem Sauerstoff oder Luft durch eine Blende zwischen der ersten und der zweiten Zone erreicht. Der lichte Durchmesser der Blende ist kleiner als der lichte Durchmesser der beiden Zonen der rotationssymmetrischen Kammer. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird der für die Verdampfung der Flüssigkeit erforderliche Brennstoff zusammen mit der notwendigen Verbrennungsluft zum grössten Teil am Anfang der ersten Zone der Verbrennungskammer tangential in eine zylindrische Vorkammer mit kleinerem Durchmesser als die erste Zone der Verbrennungskammer eingeführt, ein Teil des Brennstoffs und der Luft kann auch der ersten Zone der Verbrennungskammer tangential zugeführt werden.
Die zur Oxydation des Russes benötigte Luft oder der Sauerstoff wird tangential im gleichen Drehsinn entweder ganz in die Vorkammer eingeleitet oder auf die Vorkammer und die erste Zone der Verbrennungskammer verteilt, so dass sich die Gase schraubenförmig durch die Kammer bewegen. Die Verbrennungsgase umhüllen die durch ein Düsenrohr vorzugsweise zentrisch in der ersten Zone der Verbrennungskammer zerstäubte Russsuspension und bilden einen Flammenring, dessen Durchmesser etwa dem lichten Durchmesser der erwähnten Blende entspricht.
In dieser Zone hoher Temperatur werden die nassen Russteilchen weitgehend getrocknet und bewegen sich durch die rotierenden Verbrennungsgase, die noch überschüssigen Sauerstoff enthalten, auf schraubenförmigen Bahnen in der Nähe der Wand, wohin sie durch die Wirkung der Zentrifugalkraft geschleudert werden, in Richtung auf die Blende am Ende der ersten Zone der Verbrennungskammer.
Die sauerstoffhaltigen Verbrennungsgase reissen den Russ über die Blendenoberseite zur Blendenkante in der Nähe der Kammermitte mit. Dort vermischen sich beide Komponenten und verbrennen in der zweiten Zone der Verbrennungskammer vollständig und gleichmässig.
Wenn nötig, kann man zusätzlich Brennstoff und Luft am Umfang der ersten Zone zuführen, um eine vollständige Verbrennung in der zweiten Zone zu erreichen.
Wie Versuche gezeigt haben, genügt es, in Wandnähe der ersten Zone eine Temperatur von 500 bis 650 C, also etwas unterhalb des Zündpunktes des Russes, einzuhalten. In der zweiten Zone stellt sich eine gleichmässige Temperatur von etwa 900 bis 10000C ein. Sollte der zu oxydierende Stoff nicht vollständig verbrannt sein, dann kann er leicht aus dem Abgas abgeschieden und in die erste oder zweite Zone der Verbrennungskammer zurückgeführt werden.
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Es hat sich nun gezeigt, dass man diese Schwierigkeiten umgeht und die Abgas-Wärme besonders vorteilhaft ausnutzt, wenn man die aus der Verbrennungskammer austretenden heissen Gase, gegebenen- falls nach dem Passieren eines Wärmeaustauschers, ganz oder teilweise in direkte Berührung mit der oxy- dationsbeständigen Flüssigkeit bringt, in der die zu oxydierenden Stoffe suspendiert oder gelöst sind, bei- spielsweise in einem sogenannten Tauchtopf. Man kann dadurch die Suspension in einfacher Weise auf- heizen und eindicken. Die Suspension wird auf einer Temperatur gehalten, die oberhalb des Taupunktes der in den genannten heissen Gasen enthaltenen Flüssigkeitsdämpfe liegt.
Auf diese Temperatur kühlt sich das in die Flüssigkeit eingeleitete Abgas ab ; die dadurch freiwerdende Wärme wird zur Aufheizung des
Tauchtopf-Inhalts und zur Verdampfung der Flüssigkeit aus der Suspension ausgenutzt. Auf diese Weise lässt sich der Wassergehalt einer Russsuspension z. B. von 94% auf 82% senken ; das bedeutet, dass rund 71% des in der ursprünglichen Suspension vorhandenen Wassers verdampft worden sind. Bei einem Wasserge-
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menge ist also von 94 auf etwa 27, 3 gesenkt worden.
Das entspricht einer Verminderung der Wassermen- ge um etwa zo
Der noch nicht kondensierte Dampf kann zwecks Wiedergewinnung der Verdampfungswärme in einem
Kondensator verflüssigt werden, wo auch die in den Abgasen enthaltenen Dämpfe durch Kondensation wiedergewonnen werden, wobei als Kühlmittel entweder eines oder mehrere der in die Verbrennungskam- mer einzuleitenden Medien dienen, oder Wasser verdampft wird. Ferner kann man vor den Direktwärme- austauscher auch einen Luft- oder Brennstoff-Vorwärmer einschalten.
Die Eindickung der wässerigen Suspension erfolgt zweckmässig nur so weit, dass die eingedickte Sus- pension noch pumpfähig bleibt und in einem Zerstäuber am Kopf der Verbrennungskammer in diese ein- gedüst werden kann. Man kann bei starker Eindickung der Suspension auch einen Teil oder die gesamte zur Verbrennung notwendige Luft zum Transport des Russ-Wasser-Gemisches benutzen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine einfache Regelung der Brennstoff-Zufuhr, indem bei wechselnder Menge und schwankendem Wassergehalt der Suspension der zusätzliche Brennstoff-Bedarf nach der Abgastemperatur oder der Temperatur in einer der beiden Zonen der Verbrennungskammer gesteuert wird. Auf diese Weise ist auch eine automatische Regelung möglich. Das erfindungsgemässe Ver- fahren kann vorteilhaft bei erhöhtem Druck durchgeführt werden. Dadurch wird die Erzeugung von Nie- derdruckdampf bei der Kondensation des in dem Abgas enthaltenen Wasserdampfes möglich. In ähnlicher Weise lassen sich z. B. auch organische Verunreinigungen aus Schwefelsäure oder andern oxydationsbeständigen Flüssigkeiten entfernen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist beispielsweise in der schematischen Zeichnung dargestellt.
In einer beispielsweise senkrecht angeordneten zylindrischen Kammer l, der eine kleinere zylindrische Vorkammer 7 aufgesetzt ist, strömen bei 9 tangential gasförmige, flüssige oder gegebenenfalls feste Brennstoffe und bei 10 tangential gasförmige Oxydationsmittel in einer solchen Menge zu, dass der Brennstoff vollständig verbrennt und in dem rotierenden heissen Verbrennungsgas ein Sauerstoffüberschuss zur Oxydation der zu verbrennenden Stoffe vorhanden ist. Bei 8 wird die Suspension oder Lösung der zu oxydierenden Stoffe in Richtung der Zylinderachse eingedüst und zerstäubt. Die zerstäubten Teilchen werden von dem rotierenden heissen Verbrennungsgas erfasst und die in ihnen enthaltene Flüssigkeit weitgehend verdampft. Auf diese Weise entstehen an der Kammerwand keine Ablagerungen.
Während der Verdampfung der Flüssigkeit erfolgt bereits eine teilweise Oxydation. Der in der Suspension enthaltene, teilweise oxydierte Stoff wird in der ersten Zone 2 infolge der Zentrifugalkraft in die Nähe der Wand geschleudert und durch die heissen Gase in schraubenförmiger Bahn nach unten auf die Blende 11 mitgerissen. Bei genügend grosser Tangential-Geschwindigkeit des Oxydationsmittels erfolgt die Verbrennung des Brennstoffs vorzugsweise in einem zylindrischen Flammenring, dessen Durchmesser etwa dem lichten Durchmesser der Blende 11 entspricht. Im Überschuss in einer oder mehreren separaten Ebenen, z. B. 15 oder 16, zugegebenes Oxydationsmittel rotiert dagegen vornehmlich in der Nähe der zylindrischen Wand und kühlt diese.
An der inneren Kante der Blende 11 reisst das zur Mitte drängende Oxydationsmittel die Feststoffteilchen in die Kammermitte hinein und vermischt sich mit diesen vornehmlich an der Blendenkante.
Die Feststoffteilchen reagieren in der zweiten Zone 3, deren innerer Durchmesser gleich oder zweckmä- ssig kleiner als der der ersten Zone 2 sein kann, mit dem Oxydationsmittel, wobei dort eine gleichmässig über den Kammerquerschnitt verteilte hohe Temperatur auftritt. 4 stellt einen zylindrischen Abscheider dar, in den die Kammer 1 tangential einmündet. 5 ist ein Tauchgefäss, in dem die Suspension 17 einge-
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dickt wird. 6 stellt einen Kondensator dar, aus dem die wiedergewonnene Flüssigkeit bei 12 abgezogen werden kann. Er kann mit Medien, die beim erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden, gekühlt werden. 13 ist ein Wärmeaustauscher zur Vorheizung der Verbrennungsluft und/oder des Brennstoffs. Bei
14 werden die kalten Abgase abgeführt.
Man kann die Kammer 1 statt vertikal auch horizontal oder in einer beliebigen andern Lage. afstel- len. Die vertikale Aufstellung ist jedoch besonders zweckmässig.
Das folgende Beispiel zeigt die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Die im Beispiel enthaltenen Zahlen entsprechen den Zahlen in der Zeichnung.
Beispiel : In eine zylindrische Kammer 1, deren erste Zone 2 einen Durchmesser von 680 mm und eine Länge von 1800 mm hatte, wurden bei 9 etwa 170 Nms/h Kokereigas und bei 10 etwa 1300 Nm/h
Luft eingeführt. Mit Hilfe des Düsenrohre 8 wurden mittels 150 Nd/h Luft 372 kg/h Nassruss mit einem
Wassergehalt von 84, 7% axial eingedüst.
Auf halber Höhed er Brennkammer wurde in Wandnähe eine Temperatur von 6300C gemessen.
Der in der Nähe der Wand rotierende und noch nicht verbrannte Russ wurde an der Kante der Blen- de 11, die einen lichten Durchmesser von 350 mm hatte, mit noch nicht verbrauchter Luft gemischt und in der zweiten Zone 3 der Kammer 1, die 2100 mm lang war und einen Durchmesser von 550 mm hatte, vollständig verbrannt. Am unteren Ende dieser Zone wurde eine Temperatur von 9600C gemessen.
Das auf 6100C abgekühlte Abgas, das keinen unverbrannten Russ mehr enthielt, wurde in den Tauch- topf 5 eingeleitet, dem pro Stunde 945 kg Nassruss mit einem Wassergehalt von 94% (= entsprechend 57 kg
Trockenruss + 888 kg Wasser) zugeführt wurden.
In dem Tauchtopf wurden 573 kg Wasser pro Stunde verdampft. Das sind 64, 5% des in dem einge- führten Nassruss enthaltenen Wassers. Abgas und Wasserdampf verliessen den Tauchtopf bei 14 mit einer Temperatur von 820C ; 372 kg/h eingedickte Russsuspension mit einem Wassergehalt von 84, 7%, deren Temperatur ebenfalls 820C betrug, wurden aus dem Tauchtopf abgezogen und wie oben beschrieben in die zylindrische Kammer 1 eingedüst.
In entsprechender Weise wurden pro Stunde 510 kg wässeriger Schlamm mit einem Gehalt von 14. 10/0 Trockenruss und 2, 7% Polymerisat höherer Acetylene verbrannt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Oxydation von Stoffen, die in einer oxydationsbeständigen Flüssigkeit suspendiert oder gelöst sind, indem man die Flüssigkeit in eine rotationssymmetrische Kammer einführt, weitgehend verdampft, und die zurückbleibenden Stoffe in schraubenförmigen Bewegungen mit einem Gasstrom weiterführt, mit einem sauerstoffhaltigen Gas mischt und oxydiert, dadurch gekennzeichnet, dass man diesen Gasstrom und die in ihm enthaltenen Stoffe mittels einer Einschnürung des Gasstromes mit dem sauerstoffhaltigen Gas innig vermischt und oxydiert.