Verfahren und Einrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen und Anwendung dieses Verfahrens
Das Patent betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen, wobei zur Ableitung der Wärme eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder Stoffe, die für den Reaktionsablauf in einem Reaktionsgefäss nötig sind, verwendet werden, und wobei diese Reaktionskomponenten oder Stoffe als Arbeitsmittel für eine Gasturbinenanlage benützt werden.
Das Patent betrifft auch eine Anwendung dieses Verfahrens.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Reaktionskomponenten, die aus der Turbine in das Reaktionsgefäss übertreten, entsprechend der Zusammensetzung des verarbeiteten Rohmaterials derart reguliert wird, dass die Reaktionstemperatur auch bei einer während des Prozesses erfolgenden Änderung der Zusammensetzung des Rohmaterials eingehalten werden kann.
Die bei solchen Reaktionen entstehende Wärme wird üblicherweise entweder bei der weiteren Verarbeitung der Reaktionsprodukte verbraucht oder muss aus der Einrichtung entfernt werden.
In letzterem 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 fortgeleitet.
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, da meist Niederdruckdampf erzeugt wird. Nur ein verhältnismässig geringer Teil der Wärme wird in elektrische Energie umgewandelt. Der grössere Teil wird im Kondensator ins Kühlwasser abgeführt, dessen Verbrauch dann infolge der 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 technologische Zwecke bei 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 obenangeführten Nachteilen behaftet ist.
Alle diese Mängel der bisherigen Verfahren, die insbesondere in der Korrosionsgefahr, ungenügender Wärmeausnützung und grossem Kühlwasserverbrauch beruhen, lassen sich durch das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung beseitigen. Bei diesem Verfahren wird zur Ableitung der Abwärme ein solcher Stoff verwendet, welcher mit den Reaktionsprodukten möglichst keine aggressiven Verbindungen bildet und welcher gleichzeitig die Möglichkeit einer zweckmässigen Ausnützung der Abwärme bietet. Der verwendete Stoff bildet eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder ist für den Verlauf der Reaktion erforderlich.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Beispiels einer Einrichtung bei der Erzeugung von Schwefelsäure aus Pyriten gemäss dem in der Zeichnung dargestellten Schema erläutert.
Der eigentliche technologische Vorgang der Erzeugung von Schwefelsäure bleibt unverändert. Zwecks Abkühlung der Röstgase wird jedoch eine Einrichtung benützt, bestehend aus einem Luftkompressor 1 mit Zwischenkühlung 7, einem Wärmeaustauscher 2, einem Lufterwärmer 3, einer Luftturbine 4 und einem elektrischen Generator 5. Die Einrichtung ist an einem 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 atü) komprimierte Luft, die durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchtritt und im Lufterwärmer 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 Leistungs überschuss 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 komprimierte Luft im Wärmeaustauscher 2 vorgewärmt wird. Diese 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 noch warme Luft aus der Turbine 4 unmittelbar, d. h. ohne am Röstprozess teilzunehmen, in den nicht gezeichneten Kontaktkessel eingeführt werden, wo die Oxydation von SO2 zu SO3 abläuft. Weil dadurch der Sauerstoffgehalt dieser Oxydation mindestens teilweise gedeckt wird, können die aus dem Röstofen 6 austretenden Röstgase einen kleineren O2-Gehalt aufweisen, als für die Oxydation von SO2 zu SO3 notwendig ist. Deshalb kann der Röstofen mit einem kleineren Luftüberschuss arbeiten, so dass der SO2-Gehalt in den Röstgasen auf über 8% erhöht werden kann.
Die Luft- bzw. Gasmenge, die durch den Röstofen 6 und die folgenden Anlagen, d.h. den Erwärmer 3, den Staubabscheider und andere Einrichtungen zur Gasreinigung (nicht gezeichnet) strömt, ist also verringert, so dass die Einrichtung kleiner gehalten werden kann und auch die Wärmeverluste verringert werden.
Die Temperatur der betreffenden Reaktionskomponenten, die aus der Turbine 4 in das Reaktionsgefäss 6 übertreten, wird entsprechend der Zusammensetzung des gerösteten Materials reguliert, d. h. auf dem jeweils optimalen Wert für den Ablauf der Reaktion bzw.
Röstung gehalten, was sowohl durch Zufuhr als auch durch Ableitung von Wärme erreicht werden kann.
In dem dargestellten Beispiel wird Wasser nur zum Zwischenkühlen der Luft bei deren Komprimierung verwendet, und zwar im Wärmeaustauscher (Kühler) 7.
Der Kühlwasserverbrauch ist hier also bedeutend geringer als bei einer Kondensationsdampfturbine und bei 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 würde, wie dies bei den bisherigen Ausführungen der Fall ist.
Obwohl die Luftturbine 4 teilweise als Gegendruckturbine arbeitet, wird die Erzeugung einer grösseren Menge von elektrischer Energie als bei der Benützung der bisher verwendeten Kondensationsdampfturbine ermöglicht.
Die Verwendung von vorgewärmter Luft zum zum Rösten ist vorteilhaft, da die erforderliche Temperatur im Röstofen 6 z. B. durch Rezirkulation der abgekühlten Röstgase oder durch Verwendung eines ärmeren Pyrits, z. B. mit weniger als 20% ausnutzbarem Schwefel, geregelt werden kann, wodurch weitere Ersparnisse bei der Vorbehandlung des Pyrites erzielt werden können. Die Kombination einer Gegendruck Luftturbine mit einem Röstofen 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 Einrichtung kann verschiedenartig kombiniert werden. Gegebenenfalls 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 und dergleichen unabhängig voneinander aus dem Betrieb genommen werden können.
Sofern ein oder mehrere Öfen 6 einen gleichmässigen Gang der Luftturbine 4 nicht gewährleisten, kann man in die Einrichtung eine zusätzliche Verbrennungskammer installieren, am besten eine durch eine (nicht gezeichnete) automatische Regulierung 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 die Leistung der Luftturbine durch ungleichmässigen Betrieb der Öfen 6 unter eine bestimmte Grenze sinkt, wird die zusätzliche Verbrennungskammer automatisch in Betrieb gesetzt und die Wärmeenergie entsprechend der vollen Leistung der Luftturbine ergänzt. Die zusätzliche Vebrennungskammer kann gleichzeitig auch zur Regelung der Temperatur der in die Röstöfen eingeführten Luft verwendet werden.
Das vorliegende Verfahren kann analog und mit den gleichen Vorzügen auch bei anderen exothermischen chemischen Reaktionen verwendet werden. So ist es z. B. auch möglich, die nach dem beschriebenen Prinzip durch eine Gasturbine erzeugte mechanische Energie zur Deckung des Energie-Eigenverbrauches von Absorptions- und ähnlichen Verfahren 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 1000" C und seine Wärme wird gewöhnlich zur Erzeugung von Dampf in Abwärmekesseln ausgenützt. Auch hier gilt das in der Zeichnung dargestellte Schema der Anordnung.
In den Reaktor 6 (Vergasungsgenerator) wird der zum Vergasen bestimmte Koks in genügender Quantität eingeführt. Die zweite Reaktionskomponente ist eine Vergasungsmischung entsprechender Zusammensetzung (Sauerstoff, Luft, Wasserdampf) und wird aus der Turbine 4 zugeführt. Die Vergasungsmischung wird im Kompressor 1 verdichtet und im Wärmeaustauscher 3 auf die erforderliche Temperatur erhitzt, wobei die Wärme des aus dem Reaktor 6 austretenden Gases ausgenützt wird. Die gasförmige Reaktionskomponente und gleichzeitig das Arbeitsmedium der Gasturbine ist in diesem Falle also die Mischung von Dampf, Luft und Sauerstoff.
In der beschriebenen Einrichtung kann die Abwärme zweckmässiger ausgenützt werden als bisher, wobei gleichzeitig Reaktionskomponenten von hoher Temperatur erzeugt werden. Dieser Umstand wirkt sich besonders beim Betrieb eines Vergasungsgenerators mit Abfuhr von flüssiger Schlacke günstig aus. Die erhöhte Wärmezufuhr zum Generator 6 in der Vergasungsmischung trägt auch zur Deckung des Verbrauches der vorangehenden endothermen Reaktionen bei und führt zu einer Herabsetzung des Sauerstoffverbrauches.
Bei der Erzeugung von Zinkweiss wird das metallische Zink in einer mittels Generatorgases beheizten Retorte geschmolzen und verdampft. Hierauf werden die Zink dämpfe mit vorerhitzter Luft zu ZnO verbrannt, wobei eine erhebliche Wärmemenge frei wird.
Das tragende Gas, in dem ZnO zerstäubt ist, hat eine hohe Temperatur, z. B. 800" C, und wird nach der Abtrennung von ZnO gewöhnlich ohne Abwärmeausnutzung abgeleitet. Auch in diesem Fall kann das beschriebene Verfahren angewendet werden. Der Ablauf entspricht prinzipiell der Erzeugung von H2SO4, mit dem Unterschied, dass dem Reaktionsgefäss 6 gleichzeitig Luft aus der Turbine 4 und Zinkdämpfe zugeführt werden, und dass aus der Anlage das Zinkweiss in Pulverform abgeführt wird. Das tragende Gas, welches aus dem Reaktionsgefäss 6 austritt und ZnO enthält, erhitzt im Wärmeaustauscher 3 die durch den Kompressor 1 komprimierte Luft für die Turbine 4.
Nach der Abtrennung des ZnO (nicht eingezeichnet) führt man das Gas in die Atmosphäre ab.
Process and device for utilizing the waste heat from exothermic chemical reactions and application of this process
The patent relates to a method and a device for utilizing the waste heat from exothermic chemical reactions, whereby one or more reaction components or substances that are necessary for the reaction in a reaction vessel are used to dissipate the heat, and these reaction components or substances are used as working media be used for a gas turbine plant.
The patent also relates to an application of this method.
The method according to the invention is characterized in that the temperature of the reaction components which pass from the turbine into the reaction vessel is regulated according to the composition of the processed raw material in such a way that the reaction temperature is maintained even if the composition of the raw material changes during the process can be.
The heat generated in such reactions is usually either consumed in further processing of the reaction products or has to be removed from the facility.
In the latter case, the heat is dissipated in various ways. Sometimes the heat can be used to generate steam or for other purposes. In other cases such utilization is not possible and the heat of reaction is then mostly carried away with the cooling water.
If the heat of reaction is used to generate steam, the steam is used either for technological purposes or to generate electrical energy in a turbo generator with a condensing steam turbine. However, the thermal efficiency of such a device is usually not too high, since low-pressure steam is usually generated. Only a relatively small part of the heat is converted into electrical energy. The greater part is discharged into the cooling water in the condenser, the consumption of which is then increased significantly as a result of the generation of electrical energy. In addition, the use of water or steam to cool the reaction products is disadvantageous, because if there are any leaks, the water can form aggressive compounds with the reaction products that cause corrosion of the device.
The production of sulfuric acid from poor pyrite can serve as an example of the unsatisfactory state so far. The poor raw ore is first floated, the enriched concentrate is dried and roasted in roasting ovens. A significant amount of heat is released during roasting (e.g. 1200 kcal / kg pyrite), which is released from the oven on the one hand by the roasting gases at high temperatures (around 800 to 900 "C), on the other hand by solid residues (burn-off) and also by losses The roasting gases containing sulfur dioxide are cooled before further processing in a waste heat boiler which is used to generate water vapor. The use of water vapor for technological purposes in the production of sulfuric acid itself is not possible.
If no other suitable point of consumption is available, all that remains for its use is the generation of electrical energy by means of a condensation turbine, which has all the disadvantages mentioned above.
All these deficiencies of the previous methods, which are based in particular on the risk of corrosion, insufficient heat utilization and large cooling water consumption, can be eliminated by the method according to the present invention. In this process, a substance is used to dissipate the waste heat which, if possible, does not form any aggressive compounds with the reaction products and which at the same time offers the possibility of expedient utilization of the waste heat. The substance used forms one or more reaction components or is necessary for the reaction to proceed.
The invention is explained below using an example of a device in the production of sulfuric acid from pyrite according to the scheme shown in the drawing.
The actual technological process of producing sulfuric acid remains unchanged. However, a device consisting of an air compressor 1 with intermediate cooling 7, a heat exchanger 2, an air heater 3, an air turbine 4 and an electric generator 5 is used to cool the roasting gases. The device is connected to a roasting furnace 6. Air is used as the cooling medium, which at the same time forms one of the substances required for the reaction.
The compressor 1 supplies the air, compressed to a suitable pressure (e.g. 5 atmospheres), which passes through the heat exchanger 2 and in the air heater 3 cools the roasting gases or burn-offs emerging from the roasting furnace 6. The air heated to a high temperature expands in the air turbine 4, where it does work. The turbine 4 drives the compressor 1 and, due to the excess power, the electrical generator 5. Part of the warm air exiting the turbine 4 is fed into the furnace 6 for roasting pyrite, while the remaining compressed air is preheated in the heat exchanger 2. This air is either passed into the atmosphere or can e.g. B. can be used for drying, heating or other technological purposes.
In the case of the production of sulfuric acid by the contact process, the still warm air from the turbine 4 can be released directly, i.e. H. without taking part in the roasting process, can be introduced into the non-illustrated contact tank, where the oxidation of SO2 to SO3 takes place. Because the oxygen content of this oxidation is at least partially covered by this, the roasting gases emerging from the roasting furnace 6 can have a lower O2 content than is necessary for the oxidation of SO2 to SO3. The roasting oven can therefore work with a smaller excess of air, so that the SO2 content in the roasting gases can be increased to over 8%.
The amount of air or gas that is passed through the roasting furnace 6 and the following equipment, i.e. the heater 3, the dust separator and other devices for gas cleaning (not shown) is therefore reduced, so that the device can be kept smaller and the heat losses are also reduced.
The temperature of the reaction components in question, which pass from the turbine 4 into the reaction vessel 6, is regulated according to the composition of the roasted material; H. to the optimal value for the course of the reaction or
Roasting is maintained, which can be achieved both by adding and dissipating heat.
In the example shown, water is only used for intermediate cooling of the air during its compression, specifically in the heat exchanger (cooler) 7.
The cooling water consumption is therefore significantly lower here than with a condensing steam turbine and if a non-cooled compressor is used, there is no consumption at all. Under no circumstances can water come into contact with the roasting gases with which it would form an aggressive compound causing corrosion of the device, as is the case with the previous designs.
Although the air turbine 4 partly works as a back pressure turbine, it is possible to generate a greater amount of electrical energy than when using the condensation steam turbine used previously.
The use of preheated air for roasting is advantageous because the required temperature in the roasting oven 6 z. B. by recirculation of the cooled roasting gases or by using a poorer pyrite, e.g. B. can be regulated with less than 20% usable sulfur, whereby further savings can be achieved in the pretreatment of the pyrite. The combination of a back pressure air turbine with a roasting oven is particularly advantageous in the newer types of ovens, e.g. B. in liquefaction furnaces or smelting hearth furnaces, because in such a case it allows immediate processing of very poor pyrite without the need for prior flotation, i.e. H. at a significantly reduced cost of production.
The device according to the invention can be combined in various ways. If necessary, you can z. B. connect the air turbine unit 4, 1, 5 to several furnaces 6. This increases the economy and makes the air turbine 4 run more smoothly, with the individual furnaces 6 being able to be taken out of operation independently of one another for repairs and the like.
If one or more ovens 6 do not guarantee a smooth operation of the air turbine 4, an additional combustion chamber can be installed in the device, preferably a combustion chamber for a gaseous or liquid fuel operated by an automatic regulator (not shown). As far as the operation of the furnaces 6 corresponds to the full power of the air turbine 4, this additional combustion chamber is in the idle state. However, as soon as the power of the air turbine falls below a certain limit due to uneven operation of the furnaces 6, the additional combustion chamber is automatically put into operation and the thermal energy is supplemented according to the full power of the air turbine. The additional combustion chamber can also be used to control the temperature of the air introduced into the roasting ovens.
The present process can be used analogously and with the same advantages for other exothermic chemical reactions. So it is e.g. B. also possible to use the mechanical energy generated by a gas turbine according to the principle described to cover the self-consumption of energy from absorption and similar processes at increased pressure.
As a further example, the generation of water gas in the so-called Winkler generator is described below. A solid fuel (e.g. small pieces of coke) in suspension is gasified by a mixture of steam and oxygen or air. The gas emerging from the generator has a temperature of 900 to 1000 "C and its heat is usually used to generate steam in waste heat boilers. The arrangement diagram shown in the drawing also applies here.
The coke intended for gasification is introduced in sufficient quantity into the reactor 6 (gasification generator). The second reaction component is a gasification mixture of the appropriate composition (oxygen, air, water vapor) and is supplied from the turbine 4. The gasification mixture is compressed in the compressor 1 and heated to the required temperature in the heat exchanger 3, the heat of the gas emerging from the reactor 6 being utilized. The gaseous reaction component and at the same time the working medium of the gas turbine is in this case the mixture of steam, air and oxygen.
In the device described, the waste heat can be used more expediently than before, with reaction components of high temperature being generated at the same time. This fact has a particularly favorable effect when operating a gasification generator with the removal of liquid slag. The increased heat supply to generator 6 in the gasification mixture also contributes to covering the consumption of the preceding endothermic reactions and leads to a reduction in oxygen consumption.
When generating zinc white, the metallic zinc is melted and evaporated in a retort heated by generator gas. The zinc vapors are then burned with preheated air to form ZnO, which releases a considerable amount of heat.
The supporting gas in which ZnO is atomized has a high temperature, e.g. B. 800 "C, and is usually discharged after the separation of ZnO without utilizing waste heat. In this case, too, the method described can be used. The process corresponds in principle to the generation of H2SO4, with the difference that the reaction vessel 6 is simultaneously air from the Turbine 4 and zinc vapors are supplied, and that the zinc white is discharged in powder form from the system. The carrying gas, which emerges from the reaction vessel 6 and contains ZnO, heats the air for the turbine 4 compressed by the compressor 1 in the heat exchanger 3.
After the ZnO has been separated off (not shown), the gas is discharged into the atmosphere.