DE1092889B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung von waermeverbrauchenden Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen nach dem Wirbelschichtprinzip - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von wärmeverbrauchenden Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen nach dem Wirbelschichtprinzip Es ist bekannt, wärmeverbrauchende chemische und physikalische Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen, wie z. B. Trocknen und Kalzinieren, in Wirbelschicht durchzuführen und die notwendige Wärme mit Hilfe heißer Gase einzubringen, die durch einen unterhalb des Rostes gelegenen Brenner erzeugt werden. Als wärmeverbrauchende Reaktionen sind dabei sowohl endotherme Reaktionen zu verstehen wie auch solche, die zwar ohne Wärmeverbrauch oder auch unter geringer Wärmeentwicklung ablaufen, deren Wärmeentwicklung aber geringer ist als die bei der technischen Ausführung auftretenden Wärmeverluste, so daß bei der praktischen Durchführung trotz eines theoretischen Wärmeüberschusses zugeheizt werden muß.
• Auch ist bekannt, in der Wirbelschicht selbst Wärme durch gleichzeitiges Ablaufenlassen einer exothermen chemischen Reaktion zu erzeugen, beispielsweise durch Eindüsen von Ö1 in die Schicht. Die letztgenannte Maßnahme ist aber nur anwendbar, wenn innerhalb der Wirbelschicht sehr hohe Temperaturen erwünscht oder mindestens zulässig sind. Das Einbringen der Wärme mit Hilfe heißer Gase verursacht hingegen eine starke thermische Belastung des Rostes und ist bei korrodierenden Gasen nicht anwendhar.
• Andererseits ist auch bekannt, in Wirbelschichten oder Staubwolkensuspensionen oberhalb des Rostes seitlich Gas einzuleiten. Dabei können gegebenenfalls auch oberhalb des Rostes Feststoffe eingetragen werden, und zwar auch im Kreislauf geführtes Rückgut des eigenen Proze&ses. Dabei bringt aber das oberhalb des Rostes seitlich eingeführte Gas keine wesentliche fühlbare Wärmemenge ein, da es im allgemeinen mit Raumtemperatur oder höchstens schwach vorgewärmt verwendet wird.
• Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Verbesserung dieser bekannten Verfahren und eine zu ihrer Durchführung geeignete Vorrichtung, die es ermöglichst, auch ausgesprochene Hochtemperatur -reaktionen, d. h. Reaktionen, die bei Temperaturen um 10000 C und auch wesentlich darüber vor sich gehen, nach Art der Wirbelschichttechnik in einfachen Apparaturen mit höchster Durchsatzleistung durchzuführen, wobei ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Arbeitsweise darin besteht, daß eine Ver<lünnung des Reaktionsgases durch zwecks Wärmezufuhr zugeführte heiße Gase vermieden wird.
• Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, wärmeverbrauchende Reaktionen in einer stark expandierten, oberhalb eines Rostes aufrechterhaltenen Wirbelschicht durchzuführen, deren Expansionsgrad stark ist, daß keine definierte obere Grenze der Wirbelschicht mehr besteht, und vorzugsweise das 10- bis 30fache des Lockerungspunktes (Eintreten der Wirbelbewegung) beträgt, und mindestens einen erheblichen Anteil des Wärmebedarfes durch oberhalb des Rostes seitlich eingeführte heiße Gase von mindestens 5000 C zuzuführen. Solche Suspensionen unterscheiden sich von den klassischen ruhenden Wirbelschichten sowohl durch das Fehlen einer ausgeprägten oberen Oberfläche wie auch dadurch, daß in ihnen die Schlupfgeschwindigkeit der Feststoff teilchen, d. h. die Differenz zwischen Eigengeschwindigkeit und Gasgeschwindigkeit größer ist als die Fallgeschwindigkeit, und von den bekannten pneumaischen Staub wo lkenverfahren durch erheblich höhere Eeststoffdichte (im allgemeinen erheblich über 100 kg/m5).
• Diese Wirbelschicht wird auf einer Höhe von etwa 60 bis 180 cm, vorzugsweise 100 cm, aufrechterhalten und oberhalb dieser Höhe der Querschnitt des Reaktionsgefäßes erweitert. In Höhe der Erweiterung wird erfindungsgemäe weiteres Gas hoher Temperatur, vorzugsweise über 5000 C, eingeführt, und zwar in solcher Menge, daß die Gasgeschwindigkeit im erweiterten Teil mindestens gleich groß ist wie im unteren engeren Teil. Durch die oberhalb des Rostes in Höhe der Erweiterung eingeführten zusätzlichen Gase kann jede beliebige Wärmemenge auf beliebigem Temperaturniveau eingebracht werden, und man ist weder durch die thermische Widerstandsfähigkeit des Rostes noch durch die minimale Verbrennungstemperatur des Brennstoffes in der Wahl der Einstellung der Reaktionsbedingungen beschränkt.
• Selbstverständlich kann aber auch ein Teil der einzuführenden Wärme in an sich bekannter Weise durch die unterhalb Ides Rostes zugeführten Gase eingebracht werden.
• Das zusätzliche Einblasen von Gasen oberhalb des Wirbelschichtrostes, gegebenenfalls in Höhe einer Erweiterung des Behandlungsraumes, ist zwar an sich bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich aber um die Einführung von kaltem Fluidisierungsgas bei der Durchführung exothermer chemischer Reaktionen in einer nicht expandierten Wirbelschicht oder um die Einführung von Verbrennungsluft bzw. Sauerstoff in eine expandierte Wirbelschicht, deren Trägergas ein verbrennliches Gas, wie z. B.
• Wasserstoff oder Synthesegas ist.
• Mit der erstgenannten Verfahrensgruppe kann das vorliegende Verfahren schon deshalb nicht verglichen werden, weil es die Durchführung von wärmeverbrauchenden an Stelle von wärmeerzeugenden Prozessen betrifft. Außerdem ermöglicht die Anwendung der expandierten, langsam aufsteigenden Wirbelschicht gegenüber den bekannten ruhenden Wirbelschichten mit ausgeprägter oberer Oberfläche eine ganz erhebliche Durchsatzsteigerung, die bis zu mehreren 1000/o der mit ruhenden Wirbelschichten maximal möglichen Durchsätze beträgt. Gegenüber der zweitgenannten Verfahrensgruppe bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß durch die Hinausverlagerung der Verbrennung aus dem eigentlichen Behandlungsraum eine weit genauere Temperaturkontrolle möglich ist und Überhitzungen mit Sicherheit vermieden werden können, gegen welche gerade die expandierte Wirbelschicht besonders empfindlich ist.
• Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Gaszusammensetzung im Reaktionsraum nicht durch gasförmige Verbrennungsprodukte verändert wird. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Arbeitsweise auch noch den Vorteil, daß man in der Wahl der chemischen Zusammensetzung der anzuwendenden Gase erheblich größere Freiheit hat, als wenn man gezwungen ist, die notwendige Wärme durch Verbrennung eines brennbaren Stoffes oder Gasbestandteiles innerhalb der Wirbelschicht selbst in diese einzubringen.
• Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise führen die etwa in Höhe der Erweiterung zugeführten Sekundärgase aus dem Staubraum des Wirbelbettes die Staubpartikeln nach oben, die in an sich bekannter Weise durch staubabscheidende Organe, beispielsweise Zyklone, vom Gasstrom abgetrennt und ganz oder teilweise zurückgeführt werden können. Die Rückführung erfolgt zweckmäßig etwa in Höhe der Sekundärgaszufuhr.
• Die rückgeführten Teile können kalt oder heiß eingeführt werden. Werden sie heiß eingeführt, so vermischen sie sich mit der über dem Rost befindlichen Wirbelschicht und heizen diese dadurch auf.
• Die Sekundärgaszufuhr kann horizontal oder schräg, nach aufwärts oder abwärts, erfolgen. Ist sie nach abwärts geneigt, so tritt eine bessere Aufwirbelung der unteren stationären Wirbelschicht auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zur Durchführung von Prozessen bei besonders hohen Temperaturen, insbesondere mit feinkörnigen Stoffen, etwa unter 2 mm Teilchengröße, und ist nachstehend an Hand der Abbildung und der Ausführungsbei spiele noch näher erläutert.
• Ausführungsbeispiel 1 Es war die Aufgabe gestellt, Kieserit (MgSO47 H2O) mit einer Korngröße von 0,1 bis 0,5 mm in wasserfreies Magnesiumsulfat umzuwandeln. Der Kieserit wurde dem unteren Teil 1 des Ofens bei 9 aufgegeben.
• Durch die Gaszuführungsleitung 7 wurden über Windkammer 14 Rauchgase von 5000 C mit einer solchen Geschwindigkeit aufgegeben, daß ihre Gasgeschwindigkeit oberhalb des Rostes 1,3 m/sec betrug. Diese wirbelten den oberhalb des aus Eisenstäben bestehenden Rostes 3 befindlichen Feststoff intensiv auf. Durch die Leitung 8 wurden (5lverbrennungsgase mit einer Temperatur von 12000 C in solcher Menge aufgegeben, daß die Gasgeschwindigkeit im Schacht 2 2,0 m/sec betrug. Das Querschnittsverhältnis zwischen dem engeren Schacht 1 und dem erweiterten Schacht 2 war 1: 5.
• Die den Ofen verlassenden Gase wurden in zwei Teil ströme geteilt, deren Mengenverhältnis durch Einstellung der Ventile 12 und 13 geregelt wurde.
• Ein Teil des mitgerissenen Staubes wurde über den Zyklon 6 abgeschieden und bei 11 abgezogen, der andere Teil durch den Zyklon 4 und über Leitung 5 zurückgeführt. Die über Leitung 5 rückgeführte Menge wurde so bemessen, daß sich im Schacht 2 eine kontinuierliche Wirbelschicht mit einer mittleren Feststoffdichte von 60 kglm3 Trägergas ausbildete.
• Das war unter den Bedingungen des Ausführungsbeispiels der Fall, wenn über die Leitung 5 mindestens 4,1mal so viel Feststoff rückgeführt wurde, als über 11 abgezogen wurde. Die Produktion fiel vollständig bei 11 an, der bei 10 vorgesehene zusätzliche Austrag brauchte im vorliegenden Fall nicht betätigt zu werden.
• In ähnlicher Weise konnte Aluminiumhydroxyd zu elektrolysefähigem Al2 O3 gebrannt werden. In diesem Fall konnte die Wärmeökonomie dadurch weiter verbessert werden, daß das Rohhydroxyd über 9 diskontinuierlich aufgegeben wurde und das kalzinierte Al2 03 nach Erreichen der Umwandlungstemperatur ebenfalls diskontinuierlich bei 10 abgezogen wurde.
• Das Ventil 12 wurde in diesem Fall vollkommen geschlossen, so daß die ganze Produktion bei 10 anfiel.
• In ähnlicher Weise konnten auch andere Reaktionen bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden, wie z. B. Kalkbrennen und Zersetzen von Eisensulfat.
• Auch die Herstellung von Metallhalogeniden, wie z. B. von wasserfreiem Aluminiumchlorid, bereitete nach dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Schwierigkeiten, da das Halogen oder eine Halogenwasserstoffsäure über Leitung 7 kalt aufgegeben werden konnte.
• Ausführungsbeispiel 2 Besonders gut eignet sich das Verfahren zur Herstellung von Aluminiumfluorid aus Aluminiumhydroxyd und gasförmiger Flußsäure. Der für diesen Prozeß benötigte Reaktor entsprach wieder der in der Abbildung gezeigten Ausfüllrungsform. Die Querschnittserweiterung im oberen Teil betrug im vorliegenden Fall das 1,8fach des Querschnitts am Rost.
• Der Apparat war aus flußsäurebeständigem Material (Monelmetall und Spezialgraphit) aufgebaut. Bei 7 wurde l00°/oiges Flußsäuregas mit einer Temperatur von 600 C, also praktisch kalt, eingeführt. Die Gasbelastung wurde so eingestellt, daß eine Masìsengeschwindigkeit von 1,0 t HF/m2 Rostfläche und pro Stunde herrschten. Bei 8 wurden pro Tonne unten eingeführtes HF-Gas zusätzlich 700 Nm3 eines auf 6000 C erhitzten Inertgases zugeschleust. Die Einführungsstelle lag 1,8 m über dem Rost. Als Inertgas genügte es, ein mit Luftüberschuß in einer Brennkammer erzeugtes Rauchgas zu verwenden. Es läßt sich sowohl Öl als auch z. B. Naturgas als Brennstoff anwenden. Der Eintrag 9 für den Feststoff befand sich in vorliegendem Fall in 2,3 m Höhe über dem Rost, und er wurde mit 1,3 t trockenem Aluminiumhydroxyd pro m2 Rostfläche und Stunde beschickt.
• Die Teilchengröße des Aluminiumhydroxyds lag zwischen 0,04 und 0,12mm mit einem Maximum bei 0,09 mm. In dem Reaktor bildete sich eine wirhelnde Suspension von Aluminiumfluorid aus, deren Dichte von unten nach oben abnahm. Die Gasgeschwindigkeit genügte, um das Material dauernd nach oben auszutragen. Der Flugstaub wurde im Zyklon 4 abgeschieden und unterhalb der bei 8 seitlich einmündenden Heißgaszuführung wieder der Wirbelschicht zugeführt.
• Durch das rückgeführte heiße Material erhitzte sich auch der unterhalb der Heißgaszuführung befindliche Teil der Wirbelsuspension mitsamt der unten eingeführten Flußsäure auf Temperaturen um 5000 C.
• In diesem Teil ging auch der Hauptteil der Reaktion mit hoher Geschwindigkeit und gutem Wirkungsgrad vor sich, da mit 1000/oiger Flußsäure ohne Verdünnung mit Heizgas gearbeitet werden konnte. Durch die sehr aufgelockerte Ausbildung der Wirbelschicht trat praktisch keine Gasrückmischung nach unten auf, so daß von der Gasseite her sich eine Art von Gegenstromreaktionsführung durchführen ließ.
• Im oberen Teil des Reaktors stieg die Schichttemperatur auf etwa 520 bis 5300 C an. In diesem Teil wurde zwar auch noch Flußsäure umgesetzt, doch wurde in erster Linie das Aluminiumfluorid erhitzt, welches nach der Rückführung als Wärmeträger den Wärmebedarf in der eigentlichen Reaktionszone aufbrachte. Die Höhe des Reaktors war 6 m. Die Gesamtmenge des Produktes konnte bei 10 ausgetragen werden. Es fiel mit einem Gehalt von etwa 94°/o AlF3 an.
• Im Abgas hinter dem Zyklon 4 war praktisch kein Staub mehr vorhanden, und das Gas bestand aus Wasserdampf, Inertgas und geringen Mengen Flußsäure. Diese ließ sich zum größten Teil in einem Oberflächenkühler in Form einer wäßrigen Flußsäure auskondensieren. Geringe noch verbleibende Spuren konnten in einem anschließenden Waschturm abgeschieden werden.
• Ein besonderer und sehr überraschender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Reaktionsgeschwindigkeit aller Prozesse um ein Mehrfaches gegenüber der in Ider üblichen stationären Wirbelschicht herrschenden Geschwindigkeit erhöht wird, so daß man mit etwa einem Viertel bis einem Fünftel der bisher notwendigen Verweilzeit auskommt.
• Für sehr große Durchsätze können außerordentlich große Querschnitte benutzt werden, und zwar Öfen von 6 bis 8 m Durchmesser, indem die Aufgaben 9 und Rückführleitungen 2 gleichmäßig über den Umfang verteilt werden.
• In allen Fällen, d. h. unabhängig davon, ob nur je eine einzige Aufgabe- und Rückführleitung oder deren mehrere verwendet werden, bildet sich eine gewisse Strahlwirkung aus, so daß die Feststoffkonzentration in einem beliebigen horizontalen Querschnitt ungleichmäßig ist.
• Das ist aber kein Nachteil, insbesondere wenn die zum Zyklon 6 führende Leitung an einer Stelle geringer :Feststoffkonzentration angebracht wird und nicht den Primärstrahl anzapft, erhält man ein besonders gut durchreagiertes Produkt, das den Reaktionsbedingungen lange ausgesetzt war.
• PATENTANSPRVCHE 1. Verfahren zur Durchführung von wärmeverbrauchen den Reaktionen zwischen Feststoffen und Gasen nach dem Wirbelschichtprinzip unter Wärmezufuhr durch erhitzte Gase und Verwenfdung eines an einer Stelle oberhalb des Rostes erweiterten Schachtes, dadurch gekennzeichnet, daß den Feststoffen wenigstens ein Teil der zuzuführenden Wärme durch mindestens 5000 C heiße Gase zugeführt wird, die dem Reaktionsraum oberhalb des Rostes etwa in Höhe der Erweiterung zugeführt werden.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der oberhalb des Rostes zugeführten heißen Gase so bemessen wird, daß die Gasgeschwindigkeit im erweiterten Schachtteil gleich oder größer ist als im darunterliegenden engen Schachtteil.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der oberhalb des Rostes zugeführten heißen Gase bis zu etwa 87 0/o der gesamten zugeführten Gasmenge beträgt.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Durchführung endothermer Reaktionen bis zu 100°/e des Wärmebedarfs durch die oberhalb des Rostes zugeführten heißen Gase gedeckt wird.

   5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des von den Gasen ausgetragenen Staubes in den Reaktionsraum in solcher Menge zurückgeführt wird, daß sich im erweiterten Teil eine kontinuierliche zirkulierende Wirbelschicht ausbildet.

   6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mitheißem rückgeführtem Feststoff Wärme in die unmittelbar über dem Rost liegende Zone eingeführt wird.

   7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufgabe und gegebenenfalls der Austrag diskontinuierlich oder mit ungleichmäßiger Geschwindigkeit erfolgt.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, bestehend aus einem Wirbelschichtreaktor (1, 2) mit einem Rost (3), einer unterhalb des Rostes befindlichen Windkammer (14) mit einer Zuleitung (7) für das Wirbelgas, mindestens einem Rückführzyklon (4), einer Rückführleitung (5) und einer oberhalb des Rostes befindlichen Erweiterung (9) des Schachtes, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Sekundärwindkammern (8, 15), welche oberhalb des Rostes einmünden.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der oberhalb des Rostes befindlichen Windkammer (15) von der gleichen Größenordnung ist wie der Querschnitt des Schachtes (1) an der Rostfläche.

   10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwindkammer etwa in der Höhe der Erweiterung einmündet.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 642 526, 647 142, 927 926; Britische Patentschrift Nr. 661 568; USA.-Patentschriften Nr. 2 343 780, 2 596 611; Othmer, »Fluidizationa, 1956, S.220.