DD246101A1 - Verfahren zur konvektionsgaskuehlung von calciumcarbid - Google Patents

Abstract

Beim Verfahren zur Konvektionsgaskuehlung von Calciumcarbid erfolgt eine intensive Kuehlung des stueckigen Calciumcarbids, wobei die bei der Kuehlung freiwerdende Waerme zumindest teilweise als Sekundaerenergie gewonnen wird, das zur Konvektionskuehlung benoetigte Gasgemisch kein Inertgas ist und qualitaetsmindernde Kuehlwirkungen am Calciumcarbid weitestgehend ausbleiben. Das Verfahren basiert auf dem Ausbleiben einer Carbidkornzerkleinerung waehrend der Kuehlung und/oder dem Transport des Schuettcarbids.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konvektionsgaskühlung von Calciumcarbid, wobei die freiwerdende Wärme zumindest· teilweise als Sekundärenergie gewonnen wird und das zur Konvektionskühlung benötigte Gasgemisch kein Inertgas ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der Herstellung von technischem Calciumcarbid wird in einem elektrothermischen Reduktionsofen bei einerTemperatur von ca. 2070 bis 2370K eine Schmelze gebildet, die hauptsächlich Calciumcarbid und Calciumoxid enthält. Um die vor der Weiterverarbeitung des technischen Calciumcarbids notwendige Erstarrung und Abkühlung zu erreichen, werden international hauptsächlich zwei Verfahren angewendet — die Tiegeltechnologie und die Trommeltechnologie.

Die Tiegelabstichtechnologie ist durch lange Kühlzeiten, hohen technischen Aufwand, aber geringen Qualitätsverlusten an Calciumcarbid gekennzeichnet. Die bei der Kühlung freiwerdende Abwärme wird international nicht genutzt.

Der Hauptvorteil aller Verfahren.der Erstarrung und Kühlung des Calciumcarbids in Tiegeln besteht in dem wesentlich geringeren Verlust an Calciumcarbid gegenüber dem zweiten, intematinal üblichen Verfahren, bei dem die Erstarrung, Kühlung und Zerkleinerung des technischen Calciumcarbids in einer rotierenden, von außen mit Kühlwasser beaufschlagten Kühltrommel herbeigeführt wird.

Bei diesem Verfahren ist die.notwendige Zeit zur Kühlung des Calciumcarbids mit ungefähr 15 bis 20 Minuten weitaus geringer als beim Tiegelabstich. Auch bei diesem Abstichverfahren ist eine Gewinnung der von der Carbidschmelze abgegebenen Wärme als Sekundärenergie effektiv nicht möglich, da das außen auf die Carbidkühltrommel aufgesprühte Kühlwasser entweder nur geringfügig erwärmt von dieser abläuft, oder als Brüdendampf in die Atmosphäre entweicht. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens sind die bereits erwähnten, relativ großen Verluste an Calciumcarbid während des Carbiddurchlaufes durch die Kühltrommel.

Um Nachteile der Kühltrommeltechnologie zu verringern, ist es für die Kühlung des entstehenden Schüttgutes notwendig, auf die Basistechnologien anderer Prozesse zurückzugreifen, die allerdings in ihrer Verselbständigung die gestellte Aufgabe nicht 'erfüllen können. Hierzu zählt die Förderrinne (Chem.-Ing.-Technik 57 [1985] Nr. 1, S. 68-69) als Fördereinrichtung für Schüttgüter.

Ohne die Integration besonderer, auf Gesetzen der Thermodynamik beruhender Effekte, ist die Nutzung der Förderrinne als Kühlvorrichtung für Schüttgüter nicht geeignet, wenn die bei der Kühlung freiwerdende Wärme als hochwertige Sekundärenergie genutzt werden soll. Ursache hierfür liegt im konträr stehenden Sachverhalt zwischen hohen Gasdurchsätzen, um gute Wärmeübergangseigenschaften zu erhalten, dem Streben nach hohen Gasaustrittstemperaturen und geringsten Qualitätsverlusten des Kühlgutes während der Kühlung.

Zusammenfassend muß eingeschätzt werden, daß bekannte Technologien zur Kühlung von Calciumcarbid einer rationalen und wirtschaftlichen Prozeßführung nicht gerecht werden. Zusätzlich betrifft dies die zu treffende Entscheidung der Wahl geeigneter inerter Kühlmedien, um einerseits die hohen finanziellen Aufwendungen zur Inertgasbereitstellung und andererseits Produktverluste durch einsetzende chemische Reaktionen mit Bestandteilen der Gasatmosphäre zu umgehen. Als geeignetes Inertgas zählt das beim Carbidherstellungsprozeß anfallende CO-Gas, welches in DE-OS 3111237 genutzt wird. Aufgrund der toxischen Eigenschaften des Kohlenmonoxidgases sind jedoch für den Betrieb derartiger Anlagen hohe finanzielle Aufwendungen nötig.

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine effektive Konvektionsgaskühlung von Calciumcarbid so zu realisieren, daß ohne Bereitstellung von Inertgas die bei der Kühlung freiwerdende Wärme hochwertig genutzt werden kann, ohne die bei der Kühlung auftretenden Qualitätsverluste an Calciumcarbid prozeßrelevant werden zu lassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

— Die technische Aufgabe

Der zu lösende Widerspruch bei der Wärmeabführung von Calciumcarbid ergibt sich aus den chemischen und physikalischen Charakteristika des technischen Calciumcarbids, indem einerseits zwecks Vermeidung von Qualitätsminderungen infolge von chemischen Reaktionen des Calciumcarbids mit Bestandteilen der Umgebungsatmosphäre eine Intensivkühlung unter Inertatmosphäre angestrebt werden muß,

— was beim traditionellen Tiegelabstrich durch kleine spezifische Kontaktflächen zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Calciumcarbid unter Inkaufnahme einer langen Kühlzeit,

Verhinderung toxischer Gefährdungen erreicht wird.

— beim Prozeß der Trommelkühlung bei mäßiger Kühlintensität unter Inkaufnahme relativ hoher Carbidverluste,

— sowie bei herkömmlichen Wirbelschichtkühlungen durch enorme Aufwendungen für Inertgasbereitstellung bzw. Derartige Kompromißlösungen machten die technische Aufgabe notwendig, ein Verfahren zu schaffen, bei dem durch eine effektive Konvektionsgaskühlung kurze Kühlzeiten bei geringsten Qualitätsverlusten an Carbid unter einer zumindest teilweisen Nutzung der bei der Kühlung freiwerdenden Wärme als Sekundärenergie möglich wird, ohne daß hohe Kosten für Inertgasbereitstellung anfallen.

Merkmale der Erfindung

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein intensiver Direktkontakt von Konvektionsgas und stückigem Calciumcarbid in einer horizontal-wandernden Wirbelschicht so erfolgt, daß eine autonom zur Kühlung und/oder zum Transport des Schüttgutes erfolgende Kornzerkleinerung und/oder ein Abrieb weitestgehend ausbleibt. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das stückige Calciumcarbid einer horizontalwandernden Wirbelschicht ausgesetzt, die durch einen im Quasigegenstrom zum Schüttgutstrom geführten Kühlgasstrom aufrechterhalten wird. Die Führung in Quasigegenstrom wird vorzugsweise in der Art gewährleistet, daß das Kühlgas in den Austrittssektor der Kühlvorrichtung kalt mit einer Temperatur T₁ eintritt, sich auf eine Temperatur T₂ erwärmt und einem Kühlsektor, der sich zum Eintrittssektorder Kühlvorrichtung lokal näher befindet, zur Gutkühlung geleitet wird und sieh dabei auf eine Temperatur T₃ erwärmt (T₁ < T₂ < T₃).

Hierdurch erfolgt eine Berücksichtigung der für die Sekundärenergiegewinnung notwendigen exergetischen Verhältnisse. Die Rückkühlung des Kühlgases, welches im geschlossenen Kreislauf geführt wird, erfolgt in Einrichtungen zur Sekundärenergiegewinnung.

Das Konvektionsgas stellt zu Verfahrensbeginn vorzugsweise Luft dar. Durch den intensiven Direktkontakt erfolgt eine chemische Umsetzung jener Bestandteile des Konvektionsgasgemisches an=der Oberfläche des Schüttgutes, insbesondere Calciumcarbid. Durch die Kreislauffahrweise des Konvektionsgases tritt eine rasche Reduzierung der reaktionsfreudigen Komponenten ein und es bildet sich ein den speziellen Anforderungen angepaßtes Inertgas.

Es zeigte sich, daß die Carbid-Verluste in wasserfreier Atmosphäre unterschiedlicher Zusammensetzung bis zu 800⁰C relativ gering sind, bei höherer Temperatur merklich ansteigen und sich bei 1400°C und längerer Reaktionszeit sämtliches CaC₂ vollständig umgesetzt hat, was besonders auf die Reaktion mit Stickstoff im Temperaturbereich von 1 000-1200⁰C zum Cyanamid und mit Sauerstoff über den gesamten Temperaturbereich zurückzuführen ist. Die Calciumcarbidverluste steigen mit Zunahme der spezifischen Oberfläche des Carbidkornes. Es bilden sich in Abhängigkeit von der Art der gasförmigen Reaktanten, von der Reaktionstemperatur und -zeit auf dem Carbidkorn Reaktionsproduktschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Dicke heraus, die die weitere Umsetzung hemmen.

Diese bisher un>/eröffentlichten Erkenntnisse ließen den Schluß zu, daß die zu Verfahrensbeginn einsetzenden Verlustreaktionen hauptsächlich an den Feinkornfraktionen stattfinden, die ohnehin in sich anschließenden Lagerungs- und Transportprozessen verstärkten Reaktionen mit Bestandteilen der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sind. Die sich bildenden Reaktionsproduktschichten auf dem Carbidkorn sind die Voraussetzungen für anteilig äußerst geringe Carbidverluste, wenn die selbstinertisierende Konvektionskühlung bei Temperaturen kleiner 1 600⁰C stattfindet.

Um einer wirtschaftlich günstigen Lösung für eine Kombination der Wirkprinzipien Selbstinertisierung, Hochleistungskühlung und Feststofftransport zu entsprechen, wurde der Effekt gefunden, daß dieser Vorgang in einer horizontalwändernden Wirbelschicht realisiert werden kann, indem Kühlgas am Boden der Wirbelschicht in Schüttguttransportrichtung in die Kühlvorrichtung gedüst wird. Auf diese Weise können sowohl Kühlung als auch Transport des Calciumcarbids mechanisch schonend erfolgen, so daß die Reaktionsproduktschichten auf dem Carbidkorn — im Gegensatz zur Kühlung in Kühltrommeln — weitestgehend unbeschädigt bleiben und somit eine Schutzschicht bilden, die Carbidverluste weitestgehend verhindert.

Ausführungsbeispiel

Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt die Möglichkeit einer effektiven Konvektionsgaskühlung von Calciumcarbid.

In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 das vereinfachte technologische Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Beispiel illustriert das erfindungsgemäße Grundprinzip und hat keinen begrenzenden Charakter!

Die Rohcarbidschmelze E gelangt aus dem elektrothermischen Reduktionsofen 9 in eine mit Kühlwasser F beaufschlagte rotierende Kühltrommel 8. Das ablaufende Trommelkühlwasser G kann energetisch kaum genutzt werden. Der Abstich der Rohcarbildschmelze E aus dem elektrothermischen Reduktionsofen 9 erfolgt periodisch im Abstand von etwa 20 Minuten. Das hohe Temperaturniveau der Schmelze von 2070Kbis2370Kistwerkstoffseitig in Kühltrommeln beherrschbar, eine kontinuierliche Kühlung ist gewährleistbar. In der Kühltrommel erfolgt die Erstarrung und Zerkleinerung der Carbidschmelze sowie weitestgehend ein Volumenstrom-Zeit-Ausgleich, so daß der zweiten Kühlstufe ein annähernd konstanter Schüttgutstrom A über eine Lastperiode des Fahrregimes zur Verfügung steht. Diese zweite Kühlstufe stellt eine Wirbelrinne 14 dar, die durch Zwischenwände, die als Prallabscheider 2 wirken, sektoriert ist. Das Schüttgut tritt mit einer Temperatur von T = 1000⁰C in den Schüttgut-Aufgabeschacht 1 entsprechend Fig. 2 der Wirbelrinne 14 ein und wird einer horizontalwandernden Wirbelschicht * zugeführt. Die Fluidisierung des Schüttgutes erfolgt durch die Zuführung von Kühlgas C über Gaszuführungstrichter 4 und Gaseintrittsdüsen 5. Die Gaseintrittsdüsen 5 sind so gestaltet, daß das Kühlgas C in Richtung des Schüttguttransports gedüst wird.

Der Feinkornanteil des stückigen Calciumcarbids mit einer maximalen Korngröße von 0,0005 m wird unmittelbar nach seiner Entstehung mit dem Gasstrom aus der Wirbel rinne ausgetragen, abgeschieden und separat gekühlt, wodurch die Carbidverluste dieser Fraktion gegenüber dem bekannten Kühlverfahren für Carbid nach erfolgter Selbsfmertisierung um etwa 80% gesenkt werden können. Die Carbidverluste der Kornfraktionen, deren Partikel größer als.der Grenzkorndurchmesser von 5 · 10~⁴ m. sind, können infolge der gasströmungsbedingten Verminderung der Partikelverweilzeit in derWirbelrinne um 40—60% gesenkt werden. Diese Kornfraktionen werden an den Prallabscheidern 2 bzw. Abscheidesieb 7 vom Gasstrom getrennt und mit Unterstützung von Schwingbodenplatten 3 in die nächste Sektion derWirbelrinne geführt. Bei einem Volumendurchsatz von

5 m³/s Kühlgas und einer Geschwindigkeit von 6—wird es möglich, in 120s das stückige Calciumcarbid von 1000⁰C auf 200⁰C

abzukühlen, wobei nach 600s die Inerti.sierung zu 75% abgeschlossen ist und ein Wärmestrom von 3MW durch den Kühlgasstrom C aufgenommen wurde.

Der derWirbelrinne zugeführte Kühlgasstrom C wird in zwei Teilströme C₁ und C₂ mit der Temperatur T₁ so zu gleichen Teilen aufgespalten, daß mit minimierten Rohrlängen derTeilgasstrom C₁ dem Schüttgutaustrittssektor und der Teilgasstrom C₂ dem Mittelsektor der Wirbelrinne zugeleitet wird. In der horizontalwandernden Wirbelschicht erwärmt sich derTeilgasstrom Ci auf die Temperatur T₂, wird über das Heißgasgebläse 13 als Gasstrom C₃ dem Schüttguteintrittssektor der Wirbelrinne zugeführt und erwärmt sich hierin auf die Temperatur T₃ und wird als Kühlgas-Abfuhrstrom D₃ mit dem Abfuhrstrom D₂ des Mittelsektors geeignet gemischt, dem Abhitzekessel 11 zur Druckdampferzeugung I und zur Vorwärmung des Kesselspeisewassers H dem Kesselspeisewasservorwärmer 10 zugeführt. Zum Ausgleich der Druckverluste wird das Kühlgas, welches im geschlossenen Kreislauf gefahren wird, über ein Kaltgasgebläse 12 geleitet.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Konvektionsgaskühlung von Calciumcarbid, gekennzeichnet dadurch, daß das Konvektionsgas mit dem Calciumcarbid direkt und intensiv so in Kontakt gebracht wird, daß eine autonom zur Kühlung und/oder zum Transport des Schüttgutes erfolgende Kornzerkleinerung und/oder ein Abrieb weitestgehend ausbleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Schüttgut einer horizontal-wandernden Wirbelschicht,"die aus dem Kühlgut besteht, zugeleitet wird, die durch einen im Quasigegenstrom zum Schüttgutstrom geführten Kühlgasstrom aufrechterhalten wird, indem das Kühlgas in den Austrittssektor und/oder einen ihm lokal naheliegenden Sektor mit einer Temperatur T₁ eintritt und danach einem Kühlsektor, der sich zum Eintrittssektorder Kühlvorrichtung lokal näher befindet, zugeleitet wird und diesen mit einer.Temperatur T₃ verläßt, wobei das Kühlgas am Boden der Wirbelschicht in Schüttguttransportrichtung in die Kühlvorrichtung gedüst wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Konvektionsgas ein Gasgemisch darstellt, das vor Verfahrensbeginn vorzugsweise Luft ist und im geschlossenen Kreislauf gefahren wird.