DE1767574C3 - Verfahren zur Wärmezuführung an endotherme heterogene Reaktionen - Google Patents

Verfahren zur Wärmezuführung an endotherme heterogene Reaktionen

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Description

Endotherme heterogene Reaktionen spielen in der Technik eine außerordentlich große Rolle. Zum Beispiel ist die Gewinnung von Eisen aus den Erzen mit Kohlenstoff ein solcher endothermer Prozeß, bei dem die Methoden der Wärmeübertragung zur Aufrechterhaltung dieses Prozesses die Gesamtwirtschaftlichkeit stark beeinflußt.
Für solche endotherme Prozesse stehen verschiedenartige Wärmequellen zur Verfügung. Zum Beispiel kann die Wärme durch Verbrennung fossiler Brennstoffe aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wärme aus Kernreaktoren zu entnehmen, in denen primär fühlbare Wärme erzeugt wird, die mittels eines Reaktorkühlmittels aus dem Reaktorcore gewonnen wird.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Wärmezuführung an endotherme heterogene Reaktionen, bei denen mindestens eine Reaktionskomponente in fester stückiger Form und mindestens eine weitere Reaktionskomponente in Gasform vorliegen und die Gaskomponente durch ein Haufwerk der festen Komponente hindurchgeführt wird.
Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren so durchzuführen, daß der Wärmebedarf der Reaktionen durch die fühlbare Wärme eines Kernreaktors gedeckt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Haufwerk von einer im Kreislauf geführten wärmeabgebenden Flüssigkeit berieselt wird, die am chemischen Umsatz nicht teilnimmt.
Die Lehre gemäß der Erfindung gibt die Möglichkeit, auch noch bei solchen Verfahren, bei deren Ablauf die Temperatur verhältnismäßig hoch liegt, den Wärmebedarf aus einem Kernreaktor zu decken. Dies kann z. B. SS für die Eisengewinnung im Direkt-Reduktionsverfahren gelten, bei dem die Arbeitstemperatur so hoch liegt, daß die Übertragung der WHrme durch Wände hindurch in Anbetracht der verfügbaren Ausgangstemperatur zu Schwierigkeiten führen würde.
Es ist zwar durch die DT-AS 12 50 039 ein Verfahren zum Hydrocracken von Kohlenwasserstoffölen bekannt, bei dem ein Teil des Hydrocrack-Produktes in die Hydrocrackzone zurückgeführt werden kann. Dabei handelt es sich jedoch um eine bestimmte Fraktion, die so lange im Kreislauf geführt wird, bis sie völlig in andere Fraktionen übergeführt worden ist. Diese zurückgeführte Fraktion hat nicht die Aufgabe, dem Verfahren die zu seiner Durchführung no»wendige Wärme zuzuführen. Dies ist auch deshalb nicht notwendig, weil dieser Crackprozeß in bezug auf den Wärmehaushalt neutral oder schwach exotherm ist. Bei dem bekannten Verfahren wird zwar ebenfalls eine Feststoffschicht verwendet, durch die das öl hindurchgeführt wird Dabei handelt es sich jedoch um ein Katalysatorbett, das im Gegensatz zum Feststoffbett der Erfindung keine Reaktionskomponente darstellt.
Demgegenüber nimmt beim Verfahren gemäß der Erfindung die in fester stückiger Form vorhandene Komponente an der Reaktion teil. Dabei kann es sich z. B. um Reduktionskohlenstoff handeln, wobei die in Gasform vorliegende Reaktionskomponente das Abgas aus dem Reduktionsprozeß sein kann. In diesem Fall kann das Verfahren gemäß der Erfindung so ablaufen, daß die gasförmige Komponente — hier also das CO2- und gegebenenfalls H2O-haItige Reduktionsabgas — durch ein Haufwerk der festen Komponente — hier des stückigen Reduktionskohlenstoffs — hindurchgeleitet und das Haufwerk von der Wärme abgebenden Flüssigkeit berieselt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um flüssiges Blei handeln, welches am oberen Ende des Kohlenstoffhaufwerkes, das in einem Sch -ent angeordnet sein kann, in aufgeheiztem Zustand aufgegeben und am Boden des Schachtes, nachdem es durch das Haufwerk hindurchgeflossen oder -gesickert ist. in abgekühltem Zustand abgezogen wird. Hiernach wird das Blei wieder aufgeheizt und im Kreislauf dem oberen Ende des Schachtes wieder zugeführt
In diesem einfachen Fall der Anwendung der Erfindung besteht die von der Wärme abgebenden Flüssigkeit berieselte feste Reaktionskomponente aus Kohle oder Koks. Es ist aber auch möglich, daß neben Koks in dem Haufwerk auch stückige Eisenerze vorhanden sind, so daß die am Koks aus Kohlensäure und Wasserdampf gebildeten Reduktionsgase — Kohlenmonoxid und Wasserstoff — unmittelbar nach deren Entstehung für die Reduktion der Eisenerze nutzbar gemacht werden, wobei sich wiederum Kohlensäure und Wasserdampf bilden, die sich nachfolgend wieder mit dem Kohlenstoff umsetzen.
Für die Beheizung eines solchen Eisengewinnungsprozesses kommen in erster Linie Blei und Bleilegierungen zur Anwendung. Für den gleichen Zweck sind auch Zinn, Silber und deren Legierungen anwendbar. Für andere Anwendungsfälle zur Wärmeübertragung mit anderen festen Komponenten sind vor allem auch solche Metalle brauchbar, die bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen flüssig sind bzw. niedrig schmelzende Legierungen bilden. Dabei sollten beispielsweise , die in Kohle enthaltenen Substanzen bzw. die sich durch Reduktion nach solchen Substanzen bildenden Metalle in der Wärme abgebenden Flüssigkeit nicht lösbar sein.
Ein Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung von flüssigem Blei als Wärme abgebendem Medium dieses gleichzeitig eine Entschwefelung bewirkt. Dabei können die von der im Kreislauf geführten Flüssigkeit aufgenommenen Verunreinigungen wie Schwefel, Arsen, Phosphor u.dgl. nach an sich bekannten Methoden an einer geeigneten Stelle des Kreislaufes entfernt werden.
Neben geschmolzenem Metall kann als Wärme abgebende Flüssigkeit auch eine geschmolzene Metallverbindung verwendet werden. Auch hier gilt, daß eine entsprechend niedrige Schmelztemperatur und die chemische Verträglichkeit mit den festen Reaktionskom-
ponenten zwackmäßig oder erforderlich sind. Diese Reaktionskomponenten sollten nicht in der Wärme abgebenden Flüssigkeit löslich sein. Günstig sind in vielen Fällen niedrig schmelzende Silikate, d. h. also geschmolzene Gläser und Haiogenschmelzen, d. h. fiüssige Gemische von beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid od. dgl.
Das Auflösen von störenden Bestandteilen des zu beheizenden Reaktionrgemisches in der Wärme abgebenden Flüssigkeit kann aber auch besondere Vorteile zur Folge haben. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn in der Wärme abgebenden Flüssigkeit Abfallprodukte des festen Reaktionsgemisches aufgelöst und auf diese Weise aus dem Reaktionsraum entfernt werden können. Eine solche Wirkung ist z. B. dann zu erzielen, wenn die in fester stückiger Form vorliegende Reaktionskomponente aus aschehaltiger Kohle uesteht und wenn der Umsatz dieser Kohle mit KohJesäuregas und Wasserdampf und mit Kohlenwasserstoff erfolgt. Verwendet man in einem solchen Fall beispielsweise ein flüssiges Glas als Wärme abgebende Flüssigkeit, so wird die Kohleasche in diesem Glas gelöst und aus dem Reaktionsraum ausgetragen. Diese Art der Entaschung des Reaktionsraumes führt zu besonders vorteilhaften technischen Lösungen, wenn große Reaktionsräume beheizt werden sollen, bei denen der Austrag der Asche in fester Form unter Umständen erhebliche Schwierigkeiten bereiten kann. Die En'fernung der Asche aus der wärmeabgebenden Flüssigkeit kann auf einfache Weise so erfolgen, daß ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit ständig abgetrennt und als Abfallmaterial behandelt wird. Diese Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich um relativ aschearme Kohle, beispielsweise Petrolkoks, handelt.
Bei der Verwendung einer oxidischen Schmelze als wärmeabgebende Flüssigkeit ist es notwendig, durch besondere Maßnahmen den für die gute Fließbarkeit der Schmelze erforderlichen niedrigen Schmelzpunkt einzustellen. Dies kann beispielsweise durch Zufügen von Oxiden erfolgen, die besonders niedrig schmelzende Eutektika hervorrufen. Dabei kann es sich beispielsweise um die Zufügung von Eisenoxid (FeO) zu Schmelzen handeln, die in der Hauptsache FeO2, AI2O3, CaO und MgO enthalten. Besonders wirksam sind für diese Zwecke auch die Alkalioxide.
Bei Verwendung größerer Körnungen für das Feststoffhaufwerk, beispielsweise 10 bis 20 mm, wird normalerweise ein festliegendes Bett gebildet, das für eine Gegenstromwärmeausnutzung der von oben nach un- ten geführten wärmeabgebenden Flüssigkeit besonders gut geeignet ist
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Durchführung der Gewinnung von Eisen aus Eisenerzen mit Reduktionskohle dargestellt.
Die für die Durchführung des Verfahrens erforderliche Wärme wird aus einem heliumgekühiten Atomreaktor 1 gewonnen, der mit einem Einlaß 2 für das Kühlmittel Helium und einem Auslaß 3 für das aufgeheizte Kühlmittel versehen ist. In einem Wärmeaustauscher 4 gibt das unter einem Druck von beispielsweise 40 at. befindliche Helium seine Wärme an flüssiges Blei ab. Der Wärmeaustauscher 4 hat einen Einlaß für das aus dem Kernreaktor über eine Leitung 7 kommende heiße Reaktorkühlmittel und einen Auslaß 6 für das abgekühlte Helium, das von einer Pumpe 8 durch den Einlaß 2 wieder in den Kernreaktor eingedrückt wird. Letzterer kann .m Auslaß 3 beispielsweise ein aufgeheiztes Kühlmittel mit einer Temperatur von 1200°C liefern. Die Temperatur, mit der das Kühlmittel bei 6 aus dem Wärmeauslauscher austritt, kann z. B. 6500C betragen. Der Wärmeaustauscher 4 hat einen Einlaß 9 für flüssiges Blei, dessen Temperatur am Einlaß 9 beispielsweise 8000C betragen kann. Am Auslaß 10, wo das aufgeheizte Blei den Wärmeaustauscher 4 verläßt, weist das Blei eine Temperatur von beispielsweise 11505C auf.
Die Reduktion von Eisenerzen zu Eisenschwamm unter Verwendung von Koks als Reduktionsmittel erfolgt in einem Reduktionsgefäß 11. Eisenerz und Koks — letzterer z. B. mit zweifachem Überschuß — werden dem schachtartigen Reduktionsgefäß Il an dessen oberem Ende über ein Einlaßorgan 12 zugeführt. Der in dem Reduktionsgefäß Il erzeugte Eisenschwamm wird gemeinsam mit der Überschußkohle und der gebildeten Kohleasche am unteren Ende über das Auslaßorgan 13 abgeführt. Durch eine Zuleitung 14 wird das aufgeheizte Blei vom Wärmeaustauscher 4 dem Reduktionsgefäß 11 zugeführt. Durch ein Verteilungssystem 15, das sich oberhalb der Oberfläche des im Reduktionsgefäß 11 befindlichen körnigen Reaktionsgemisches 16 befindet, wird das Blei in einzelne etwa kegelförmigen Teilströmen auf die Oberfläche des das Kornhaufwerk bildenden Reaktionsgemisches 16 gegeben. Das beim Durchsickern durch das Kornhaufwerk abgekühlte Blei wird aus dem Reduktionsgefäß 11 an dessen unlerem Ende durch einen Auslaß 17 abgezogen. Durch eine Bleipumpe 18 wird das abgekühlte Blei durch den Einlaß 9 wieder im Kreislauf dem Wärmeaustauscher 4 zugeführt.
Das Reduktionsgefäß 11 ist mit einem Einlaß 21 versehen, durch den das für die Reduktion erforderliche Gas zugeführt wird. Das bei der Reaktion zwischen Eisenerz und Koks gebildete Reduktionsabgas wird durch einen Auslaß 19 am oberen Ende aus dem Reduktionsgefäß 11 über ein Regelorgan 20 wieder abgeführt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wärmezuführung an endotherme heterogene Reaktionen, bei denen mindestens eine Reaktionskomponente in fester stückiger Form und mindestens eine weitere Reaktionskomponente in Gasform vorliegen und die Gaskomponente durch ein Haufwerk der festen Komponente hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Haufwerk von einer im Kreislauf geführten wärmeabgebenden Flüssigkeit berieselt wird, die am chemischen Umsatz nicht teilnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeabgebende Flüssigkeit ein geschmolzenes Metall oder eine geschmolzene Metallverbindung verwendet wird.
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