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Ultraschallzerstäuber für die Zerstäubung von Abfall schwefelsäure
und mit diesen Ultraschallzerstäubern ausgestattete Säurespaltöfen Die Erfindung
betrifft Ultraschallzerstäuber für die Zerstäubung von Abfallschwefelsäure in Spaltöfen
sowie einen mit diesen Ultraschallzerstäubern ausgestatteten Ofen.
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In einer Reihe von chemischen Prozessen fallen unterschiedlich verunreinigte
Abfalischwefelsäuren an, aus denen sich die Verunreinigungen nur durch aufwendige
Maßnahmen entfernen lassen. Diese Säure, die außer Wasser in erster Linie organische
Verbindungen, beispielsweise Sulfonsäuren, Sulfate, wie z.B. Ammoniumsulfat oder
Metallsulfate, oder Metalloxide enthalten, werden daher bei Temperaturen zwischen
etwa 850 und 12500C reduzierend gespalten, wobei ein SO2-haltiges Spaltgas entsteht,
das in bekannter Weise nach dem Kontaktverfahren zu konzentrierter Schwefelsäure
oder Oleum verarbeitet werden kann. Die zur Spaltung notwendige Wärmeenergie wird
durch Verbrennung von Öl oder Heizgas im Spaltofen erzeugt.
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Bisher wurden Spaltausbeuten bis zu 98 % erreicht, d.h.
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98 % des in der Abfall säure enthaltenen sechawertigen Schwefels liegen
nach der Spaltung als Schwefeldioxid vor, der Rest weiterhin in sechswertiger Form
als Schwefelsäurenebel bzw. Schwefeltrioxid. Außerdem sind die Spaltgase zum größten
Teil mit Aschen beladen, die durch die Verbrennung der in den Abfallschwefelsäuren
enthaltenen Verunreinigungen entstehen. Die heißen Spaltgase müssen daher vor Abgabe
an die Schwefelsäurefabrlk gekühlt und gereinigt werden. Bei der KEhlung der Spaltgase
von beispielsweise etwa 10000C auf etwa 3500C nutzt man ihre Abwärme im allgemelien
zur Lufterhitzung und/oder Hochdruckdampferzeugung in Luftvorwärmern bzw. Abhitzekesseln
aus. Dabei hat sich gezeigt, daß die 2 * nicht reduzierte Schwefelsäure und gegebenenfalls
schwefelsaure Verbindungen in den Spaltgasen zusammen mit den anderen Gasverunreinigungen
zu Korrosionsangriften n den Luftvorwärmern bzw. Abhitzekesseln führen können. Bei
der anschließenden Gaswäsche gelangen die im Spaltgas enthaltenen Verbindungen des
sechswertigen Schwefels wenigstens teilweise in das Waschwasser und sind damit für
die Schwefelsäurerückgewinnung verloren.
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Somit ergab sich die Forderung, die Spaltausbeute auf einen optimalen
Wert zu steigern, der fast bei 100 % liegt.
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Zur Eindüsung der Abfallschwefelsäure in den Spaltofen wurden bisher
bevorzugt Luft-Zerstäuberdüsen mit großem Querschnitt verwendet, da die meisten
Abfallschwefelsäuren erhebliche Verunreinigungen an festen Stoffen und/oder Polymerisationsprodukten
enthalten. Reine Druck-Zerstäuberdüsen neigen infolge dieser Verunreinigungen zu
Verstopfungen, die Betriebsstörungen zur Folge haben. Bei den bisher verwendeten
Luft-Zerstäuberdüsen
für Durchsatzleistungen bis zu 20 t Säure/h und mehr waren zur Zerstäubung äe nach
Säurebeschaffenheit 0,5 bis 0,8 Nm3 Luft mit einem Druck von 5000 mm WS äe kg Säure
erforderlich. Dabei konnten Tröpfchen-Größen zwischen 4QO und 600/ erreicht werden
mit einer häufigsten Tröpfchengröße bei 500 /u . Der für die Weiterverarbeitung
des Spaltgases zu Schwefelsäure besonders schwerwiegende Nachteil bei der Verdüsung
mit Luft ist die Verdünnung des Spaltgases, durch die sich erhöhte Investitionen
im Schwefelsäureteil der Gesamtanlage ergeben. Reduziert man dagegen zur Kompensation
dieses Luft-Mehrverbrauchs den Luftüberschuß an den Ölbrennern, so ist zur vollständigen
Verbrennung ein größerer Ofenraum erforderlich und der Spaltprozeß wird bei ungleichmäßiger
Säurezerstäubung störanfälliger. Eine Verbesserung der Spalt ausbeute durchErhöhung
der Verweilzeit im Ofen führt zwangsläufig zu einer Vergrößerung des Ofenvolumens
und damit zu erhöhten Investitionskosten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend von der dargelegten Problemstellung
in der Schaffung eines Zerstäubers und eines Spaltofens für Abfallschwefelsäure,
durch die ohne Verwendung von Luft eine Spaltausbeute von nahezu 100 * erreicht
wird. Insbesondere soll dieses Ziel durch Optimierung der Säureverdüsung und der
Heizmittelverbrennung im Ofen erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Ultraschallzerstäuber
gelöst, der aus einem Ultraschallgenerator mit einer stirnseitig angeordneten ringförmigen
Resonanzkammer, einer Leitung für die Zuführung des Betriebsmittels und einem Umkehrkörper
für die Umlenkung des Betriebsmittelstromes aus der Zuführungsleitung in die Resonanzkammer
besteht
und erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß an der Stirnseite des Ultraschallgenerators
ein von der Resonanzkammer umgebener Druck- oder Drehzerstäuber für die Säure angeordnet
ist. Abfallsäure enthält entweder von Anfang an Feststoffe oder scheidet diese bei
der Verdüsung aus. Druck- und Drehzerstäuber für Abfallschwefelsäuren neigen daher
schnell zu Verstopfungen und Betriebsstörungen, wenn man auf die für weitgehende
Spaltung erforderliche Zerstäubungsfeinheit verdüsen will. Es wurde nun gefunden,
daß diese Störungen vermieden und trotzdem eine erhebliche Steigerung der Spalt
ausbeute erreicht werden kann, wenn mit dem Druck- oder Drehzerstäuber eine Grobzerstäubung
in ein Ultraschallfeld vorgenommen wird.
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Die Düsenweite bzw. abgeschleuderte Filmdicke wird so groß gewählt,
daß die in der Säure enthaltenen Verunreinigungen den Zerstäubungsvorgang nicht
beeinträchtigen können. Im Ultraschallfeld wird der erzeugte Tröpfchenkegel bzw.
Film anschließend feinst vernebelt, wodurch sich eine Steigerung der Spaltausbeute
an SO2 bis auf mindestens 99,5 % ergibt.
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Dadurch wird die Korrosionsanfälligkeit der dem Spalt ofen nachgeschalteten
Kühl apparate verringert und die Ausbeute an regenerierter Schwefelsäure gesteigert.
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Die Frequenz des Ultraschallfeldes liegt zweckmäßigerweise zwischen
10 und 1000 kHz, insbesondere zwischen 20 und 100 kHz. Durch die Vernebelung der
Abfallsäure entstehen Tröpfchen im Bereich zwischen 1 und 200>u , insbesondere
zwischen 50 und 80po . Durch die erfindungsgemäße Ultraschallzerstäubung können
somit Tröpfchengrößen erreicht werden, die erheblich kleiner sind als die in der
Säure häufig enthaltenen Feststoffe, die teilweise einen Durchmesser bis zu 1 mm
haben können.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druck-
oder Drehzerstäuber in einem zentralen Hohlraum des Ultraschallgenerators untergebracht,
wobei die Düse des Druckzerstäubers bzw. die Schleuderkante des Drehzerstäubers
in der Stirnfläche des Ultraschallgenerators liegt. Durch die Ausbildung des Ultraschallgenerators
in Form eines Hohlzylinders, in dessen Innenraum sich der Druck- oder Drehzerstäuber
befindet, gelingt eine optimale Ausnutzung des Ultraschallfeldes für die Feinzerstäubung,
und es ergibt sich eine kompakte , für den Einbau in Spaltöfen geeignete Zerstäuberkonstruktion.
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Zweckmäßigerweise ist der Ringspalt zwischen dem Druck- bzw.
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Drehzerstäuber und dem Ultraschallgenerator über eine Leitung mit
einer Druckgasquelle verbunden. Die Gaszufuhr zu dem Ringspalt zwischen Zerstäuber
und Ultraschallgenerator soll lediglich das Eindringen der sauren Ofenatmosphäre
in diesen Ringspalt und etwaige Kondensation und Korrosion an Innenteilen des Ultraschallzerstäubers
vermeiden. Die Leitung dient demnach nur zur Aufrechterhaltung eines Gaspuffers
in dem Ringspalt. Die Luftzuführung in den Ofen erfolgt fast ausschließlich an den
Brennern, nicht durch den Ringspalt zwischen Zerstäuber und Ultraschallgenerator.
Die Vernebelung wird ohne Zuhilfenahme eines Zerstäubergases alleine durch das schnelle
Einbringen der vorzerstäubten Säure in das Ultraschallfeld erreicht.
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Die durch die Vorzerstäubung erzeugten Tröpfchen haben im allgemeinen
eine Teilchengröße zwischen 0,2 und 2 mm.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ultraschallzerstäuber
verwendet, der mit Niederdruckdampf als Betriebsmittel für den Ultraschallgenerator
arbeitet.
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Man verwendet zur Erzeugung des Ultraschallfeldes Niederdruckdampf
mit 0,6 bis 10, vorzugsweise 0,6 bis 4 atü. Dampf als Betriebsmittel des Ultraschallgenerators
hat den Vorteil, daß er aus dem Spaltgas auskondensiert werden kann und somit keine
Verdünnung des Kontaktgases zur Polge hat.
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Der Ultraschallgenerator des erfindungsgemäßen Säurezerstäubers kann
anstelle von Dampf auch mit Preßluft oder einem brennbaren Gas betrieben werden.
Für den Betrieb des Ultraschallgenerators wird nur ein Bruchteil (marx. 50 %) der
Luftmenge benötigt, die zur Zerstäubung der gleichen Menge Abfall säure in einer
Luft-Zerstäuberdüse erforderlich ist. Das Betriebsmedium strömt mit sehr hoher Geschwindigkeit
längs des Umkehrkörpers in die ringförmige Resonanzkammer und wird dort zu Ultraschallschwingungen
angeregt.
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Die energiereichen Schallwellen werden auf den zu zerstäubenden Säurekegel
geleitet, der durch das Schallfeld feinst verteilt wird. Der Ultraschallzerstäuber
ist außer für die Vernebelung von Abfallschwefelsäure auch für die Zerstäubung von
Salze (Ammoniumsalze) schwefelhaltiger Säuren enthaltenden Abfalllösungen verwendbar.
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Vorzugsweise besteht der Drehzerstäuber aus einem mit einer Drehantriebswelle
axial verbundenem Becher und einem in den Becher mündenden Zuführungsrohr für die
Säure. Das Zuführungsrohr hat seitliche Öffnungen, durch welche die Säure strahlförmig
austritt und an die Innenfläche des Bechers gelangt, der äe nach Durchsatzleistung
mit einer Drehzahl von etwa 4000 bis 7000 U/min rotiert. Der an der Innenfläche
des Bechers durch die Zentrifugalwirkung gebildete Film wird an der Becherkante
in Tröpfchen zerrissen, die durch ihre Fliehkraft in das Schallfeld des Ultraschallgenerators
gelangen. Zweckmäßigerweise ist die Drehantriebswelle als Hohlwelle ausgebildet
und das drehfeste
Zuführungsrohr axial durch die Hohlwelle bis
in den Becher geführt. Hierdurch ergibt sich eine einfache Einführung der Säure
in den mit hoher Drehzahl umlaufenden Becher.
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Der Ofen für die Abfallsäurespaltung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß in der Ofendecke ein Brenner für den zur Säurespaltung erforderlichen Brennstoff
mittig und die Ultraschallzerstäuber um den Brenner herum verteilt angeordnet sind
und daß in einem Abstand des 1 bis 4-fachen, insbesondere des 1,5 bis- 3-fachen
Ofendurchmessers von der Ofendecke eine Feuerraumverengung eingezogen ist. Der ausgemauerte
Spaltofen hat im allgemeinen zylindrische Form und ist vorzugsweise vertikal angeordnet.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Brenners, der Säurezerstäuber und der Feuerraumverengung
bildet sich im Ofenraum axial eine Strömung von der Ofendecke zur Feuerraumverengung
und am Umfang des Ofenraums eine von der Verengung zur Ofendecke gerichtete Gasströmung
aus. Hierdurch wird die fast vollständige Spaltung der Abfallschwefelsäure in einem
relativ kleinen Ofenvolumen erzielt, wodurch sich eine Reduzierung der Höhe bzw.
Länge des Ofens im Vergleich zu den bisher üblichen Spaltöfen ergibt.
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Zweckmäßigerweise sind die Ultraschallzerstäuber um den Brenner gleichmäßig
konzentrisch verteilt. Hierdurch ergibt sich eine axialsymmetrische Gaszirkulation
in dem Ofenraum. Weiterhin ist zweckmäßigerweise die Ofenraumverengung mit Gasdurchtrittsöffnungen
an der Ofenwandung versehen. So wird erreicht, daß nur Teile des heißen Brenngasstrahls,
in dem praktisch eine vollständige Spaltung erreicht
ist, die Durchtrittsöffnungen
passieren können, nicht jedoch noch mit Säurenebel beladenes Gas. Die Ultraschallzerstäuber
gestatten auch eine Änderung der Säurenebelform von einer langen bis zu einer kurzen
bauchigen Gestalt, wodurch sich ebenfalls eine maximale Ausnutzung des Spaltofenvolumens
und Erhöhung der Spaltausbeute ergibt.
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Zweckmäßigerweise ist der Brenner für die Erzeugung der Spaltwärme
im Ofen ein Impulsölbrenner. Der Impulsölbrenner befindet sich in einer Brennermuffel,
die auf der Decke des Spaltofens axial angebaut ist, so daß bereits die heißen Verbrennungsgase
mit hoher Geschwindigkeit (bis 150 m/s) parallel zu den Säurenebeln in den Spaltofen
eintreten. Im Vergleich zu der bisher üblichen Beheizung der Spaltöfen mit direkt
angebauten Brennern besteht nicht mehr die Gefahr, daß durch die endotherme Säurespaltung
eine Flammenunterkühlung und damit eine Störung des Spaltprozesses verursacht wird.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ultraschallzerstäuber
in Spaltöfen für Abfallschwefelsäure besteht darin, daß für die Erzeugung des energiereichen
Ultraschallfeldes nur eine relativ geringe Menge Niederdruckdampf im Verhältnis
zu der Menge der zu zerstäubenden Säure benötigt wird. Der Dampfverbrauch liegt
Je nach Beschaffenheit der Säure zwischen 0,1 und 0,3 kg Dampf/kg Abfallschwefelsäure.
Daraus ergeben sich für die Spaltung und anschließende Schwefelsäureerzeugung Vorteile,
die aus dem folgenden Vergleich des erfindungsgemäßen Ultraschallzerstäubers mit
der Säurezerstäubung durch Luft-Zerstäuberdüse ersichtlich sind.
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Zur Spaltung von 1 kg Abfallschwefelsäure mit der chemischen Zusammensetzung
58,O0.% H2SO4 32,03% H20 2z00 % organ. Substanz 7,77 % NH3 0,2 0% Glührückstand
werden benötigt bzw. erzeugt: Luftzer- Ultraschallstäuberdüse düse 1) Zerstäubungsluftbedarf
Nm3 /kg 0,5 -(5000 mm WS) t = 500C Säure 2) Zerstäubungsdampf- kg/kg - 0,1 - 0,2
bedarf Säure (SD 4-atü) 3) Brennstoffmenge zurEr- kg/kg 1125 1 ,01 - 0,986 zeugung
der benötigten Säure Wärmeenergie für den Spaltprozeß (Heizöl mit 9800 kcal/ kg)
4) Luftüberschuß für die n 1,03 1,27 - 1,274 Brennstoffverbrennung an den Brennern
0 (Verbrennungsluftvor- 0 500 500 wärmung) 5) Spaltgasmenge Austritt Nm3/kg (feucht)
Spaltofen Säure 2,72 2,56 - 2,68 6) Kontaktgasmenge am Ein- Nm3/kg 3,09 2,95 - 2,94
tritt der H2 SO4-Anlage Säure (bezogen auf gleiches 02/S02-Verhältnis 1,32)
Aus
der Gegenüberstellung ist zu entnehmen, daß sich bei Verwendung des dampfbetriebenen
erfindungsgemäßen Ultraschallzerstäubers eine Verringerung des Brennstoffverbrauches
im Spalt ofen um 25 %, der erzeugten Spaltgasmenge um 2 - 5 % und der Kontaktgasmenge
um 4,5 % ergibt. Dies bedeutet eine wesentliche Einsparung von Betriebsmitteln und
eine Verminderung der Investitionskosten, da die Größe der nachgeschalteten Schwefelsäure
anlage wesentlich von der Menge des durchzusetzenden Kontaktgases bestimmt wird.
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Dampfbetriebene Ultraschallzerstäuber gestatten es, den Impulsbrenner
mit einem Luftüberschuß von n = 1,27 zu betreiben, so daß ausgebrannte Brenngase
aus der Muffel des Impulsbrenners in den Spaltofenraum gelangen, wogegen bei Luftzerstäubern
und direkt angebauten mit einem Luftüberschuß n = 1,03 betriebenen Brennern die
vollständige Verbrennung erst nach etwa 2 - 3 m in den Ofenraum reichender Flamme
erreicht wird, wodurch leicht bei ungleichmäßiger Säurezerstäubung eine Flammenunterkühlung
und Störung des Spaltprozesses entstehen. Trotz der aufgezeigten Vorteile des Ultraschallzerstäubers
ergibt sich die in der Tabelle angegebene Verringerung der Kontaktgasmenge, verbunden
mit einer entsprechenden Erhöhung der Schwefeldioxid-Konzentration im Kontaktgas.
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Anhand der nachstehenden Zeichnung wird die Erfindung noch näher beschrieben.
Es zeigen Figur 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Ultraschallzerstäuberdüse, Figur 2 einen Axialschnitt durch eine zweite Ausführungsform
der erfindunggemäßen Ultraschallzerstäuberdüse und
Figur 3 einen
Axialschnitt durch den erfindungsgemäßen Spaltofen in schematischer Darstellungsweise.
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Nach Figur 1 besteht die Zerstäuberdüse 1 aus einem ringförmigen Ultraschallgenerator
3 mit einer Resonanzkammer 3a, der das Betriebsmittel über die Ringkammer 3h, die
Bohrungen 3e und den Ringraum 3g zugeführt wird, wobei die Umlenkung des Betriebsmittelstroms
in die Resonanzkammer durch die Umlenkfläche 3' erfolgt. An den Ultraschallgenerator
3 schließt sich nach hinten eine Doppelhülse 13 an, in deren Ringkanal 3i das Betriebsmittel
für den Ultraschallgenerator 3 zugeführt wird. In der Bohrung 3k des Ultraschallgenerators
3 befindet sich unter Freilassung eines Ringspaltes 15 ein Zuführungsrohr 2a, an
dessen vorderes Ende sich eine Druckzerstäuberdüse 16 anschließt. Die zu zerstäubende
Säure strömt durch den Innenraum 2 des Rohres 2a und die Bohrungen 16b in die Wirbelkammer
16c Aus der Wirbelkammer tritt die Säure durch die Öffnung 16a in Form eines Kegels
von grob zerstäubten Tröpfchen in das von der Resonanzkammer 3a ausgehende Ultraschallfeld
ein.
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Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der
Ausführungsform nach Figur 1 im wesentlichendadurch, daß in dem Hohlraum 3k des
Ultraschallgenerators 3 anstelledes Druckzerstäubers 16 ein Drehzerstäuber 19 untergebracht
ist. Der Drehzerstäuber 19 besteht im wesentlichen aus einem Zerstäuberbecher 19a,
der an einem Ende einer in den Lagern 18 drehbar gelagerten Hohlwelle 17 angebracht
ist. Die Hohlwelle 17 ist in geeigneter Weise mit einem Drehantrieb (nicht dargestellt)
verbunden. Ein Zuführungsrohr 20 für die Säure ist in der Hohlwelle 17 koaxial gehaltert
und reicht mit seinem vorderen Ende bis in den Verteilerbecher 19a
Das
Zuführungsrohr 20 hat am vorderen Ende mehrere seitliche Öffnungen 20a für den Austritt
der Säure in den Becher 19a.
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Der Ringraum 15 zwischen dem Drehzerstäuber 19 und dem Ultraschallgenerator
5 ist durch eine Rohrleitung 15a an eine Druckgasquelle (nicht dargestellt) anschließbar,
so daß in dem Ringraum 15 ein Gaspuffer gebildet werden kann, der das Eindringen
von Spaltgas verhindert. Beim Betrieb dieser Zerstäuberdüse prallt die durch Rohr
20 zugeführte und die Öffnungen 20a austretende Säure auf die Innenseite des mit
hoher Drehzahl rotierenden Bechers 19a Die Säure breitet sich als Film über die
Becherinnenwand aus und wird an der Becherkante 19b in Form von Tröpfchen in das
Ultraschallfeld geschleudert, in dem sie in einen feinen Nebel übergehen.
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Figur 5 zeigt einen vertikalen Spaltofen 6, an dessen Decke 6a zentral
eine Brennmuffel mit einem Brenner 7 angebaut ist, der mit Zuführungsstutzen für
Luft und Heizöl (7a bzw. 7b) versehen ist. In der Ofendecke sind ferner konzentrisch
um den Brenner 7 verteilt mehrere Ultraschallzerstäuber 1 angebracht, die mit Hilfe
einer Lanze 8 in vertikaler Richtung verstellbar sind. In dem Ofenraum ist eine
Feuerbrücke 6c in einem Abstand von der Ofendecke eingezogen, der dem 2,5-fachen
Ofenraum-Durchmesser entspricht. Die Feuerbrücke 6c hat neben der Ofenwandung 6b
Gasdurchlässe 6d Der Brenner 7 erzeugt eine axial gegen die Feuerbrücke 6c gerichtete
Flamme 9; die von den Ultraschallzerstäubern 1 gebildeten Säurenebel 10 sind von
einer axial-symmetrischen Gas zirkulation 11 umschlossen, in der die Verdampfung
und Spaltung der Säure vor sich geht. Durch die Führung der
Brenngase
ist dafür gesorgt, daß diese wenigstens teilweise in der Spaltkammer zwischen der
Decke 6a und der Brücke 6c zirkulieren, bevor sie durch die Öffnungen 6d zum Spaltgasaustritt
12 strömen.
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Die Ultraschallvernebelung der Säure sorgt in Verbindung mit der Zirkulation
der vollständig ausgebrannten Brenngase im Feuerraum dafür, daß eine fast vollständige
Reduktion des in den zerstäubten Lösungen enthaltenen 6-wertigen Schwefels zu Schwefeldioxid
erreicht wird.