DE2524540C2 - Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse bei einem Wirbelschichtzustand
mit stark aufgelockerter Wirbelschicht und einem Gefälle der Feststoffkonzentration von unten nach oben
sowie Austrag der Feststoffe zusammen mit den Gasen am oberen Teil des Schachtes, wobei die Feststoffe vom
Gas getrennt und mindestens teilweise in den Wirbelschichtreaktor zurücKgeführt werden, das dem Prozeß
zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor aufgegeben und Sekundärluft oberhalb des Gasverteilers
zugeleitet werden sowie die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Beheizung durch Zufuhr von
Brennstoff in die Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung erfolgt.
Zur Durchführung endothermer Prozesse sind neben Verfahren in der »klassischen« Wirbelschicht, also mit
einem Verteilungszustand, bei dem eine dichte Phase durch einen deutlichen Dichtesprung von dem darüber
befindlichen Gas- oder Staubrauni getrennt ist (GB-PS
8 78 827, US-PS 27 99 558), auch soltjr bekannt, die sich
einer sogenannten stark expandierten Wirbelschicht bedienen. Hierbei liegen Verteilungszustände ohne definierte
obere Grenzschicht vor, die erhalten werden, indem eine wesentlich höhere Gasgeschwindigkeit eingestellt
wird, als zur Aufrechterhaltung einer klassischen Wirbelschicht zulässig ist. und bei der der Feststoff vom
Gas schnell aus dem Reaktor ausgetragen würde, wenn nicht ständig neues Material nachgespeist wird. Die
Feststoffkonzentration ist niedriger als im Bett, aber
5a erheblich höher als im Staubraum einer klassischen Wirbelschicht.
Ein Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum ist nicht vorhanden,
jedoch nimmt innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von unten nach oben kontinuierlich ab.
Bei der Kalzination von feinkörnigem Tonerdehydrat kann die Gasgeschwindigkeit einer Gasmenge von 1500
bis 3000 NmVm2 χ h entsprechen und die Suspensionsdichte im Durchschnitt über die ganze Höhe der Reaktionszone
über 30 kg/m3 und im unteren Teil der Reaktionszone 100 bis 300 kg/m3 betragen. Der mit dem Gas
ausgetragene Feststoff kann in einen Abscheider gebracht und zum Teil wieder in den unteren Teil des·
Wirbelschichtreaktors zurückgeführt werden (DE-AS Π 46 041).
b5 Bei einem weiteren auf die Herstellung von Aluminiumoxid
gerichteten Verfahren nach dem Prinzip der stark expandierten Wirbelschicht, bei dem die mit den
Gasen am oberen Ende des Schachtes ausgetragenen
Feststoffe in einem Abscheider vom Gas getrennt und teilweise zur Wärmezufuhr in das Wirbelbett zurückgeführt
werden, wird wenigstens ein Teil des Wärmebedarfs durch heiße Gase, die in das Wirbelbett oberhalb
des Gasverteilers und der Rückführleitung für Feststoffe in Höhe einer Schachterweiterung eingetragen werden,
gedeckt (DE-PS 10 92 889).
Den beschriebenen Verfahren ist eine nicht befriedigende Wärmeausnutzung gemeinsam. Hinza kommt,
daß die gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffes ohne Oberhitzungserscheinungen schwierig bzw. unmöglich
isL Die Verlegung der Verbrennung in eine Brennkammer
außerhalb des Ofens erfordert besonders bei Hochtemperaturverfahren aus Gründen der Wärmewirtschaftlichkeit
hohe, von der Werkstoffseite her schwer zu beherrschende Verbrennungstemperaturen.
Mit dem eingangs zitierten, aus der DE-OS 17 67 628 bekannten Verfahren gelang es, diesen Stand der Technik
zu verbessern. Mit der weitestgehenden Ausnutzung der Abwärme von Abgas und ausgetragenem Feststoff
war eine maximale Brennstoffausnutzung, d. h. optimale
Wärmeverbrauchszahl, erreicht Die Verbrennung in zwei Stufen, nämlich zunächst nur mit Fluidisierungsluft
unterstöchiometrisch im Bereich hoher Dispersionsdichte, dann in Gegenwart von Sekundärluft stöchiome-
trisch bzw. geringfügig überstöchiometrisch schloß Überhitzungen einzelner Bereiche des Wirbelbettes
aus. Hohe Temperaturkonstanz und genaue Temperatursteuerung waren möglich. Trotz dieser großen Vorteile
weist dieses bekannte Verfahren einen Nachteil dann auf, wenn aus reaktionstechnischen Gründen, z. B.
wegen Phasenunwandlungen oder Erzielung hoher
Endumsätze, hohe Mindestverweilzeiten der Feststoffe im Reaktorsystem erforderlich sind. Zwar ist auch eine
hohe Mindestverweilzeit durch Vergrößerung der Ofenhöhe erreichbar, jedoch steigt hierbei der Druckvcriust
im Wirbeischichtreaktor und damit der Energiebedarferheblich an.
Eine Erhöhung jedoch nur der mittleren Verweilzeit ist erreichbar entweder bei konstanter Suspensionsdichle
im Wirbeischichtreaktor durch Herabsetzung der Produktionsmenge (gleicher Druckverlust) oder bei
konstanter Produktionsmenge durch Vergrößerung der Suspensionsdichte, was mit einem starken Anwachsen
des Druckverlustes und der Feststoffrezirkulation weit über das technisch e-forderliche Maß hinaus verbunden
ist.
Aufgabe der Erfindung ist, unter Beibehaltung der Vorteile des eingangs genannten Verfahrens die vorstehend
im Zusammenhang -nit hohen Mindestverweiizeiten bzw. mittleren Verweilzeiten erwähnten Nachteile
zu beseitigen, ohne gleichzeitig einen zusätzlichen verfahrensmäßigen Aufwand in Kauf nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art mit den Maßnahmen des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 ausgestaltet wird.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mithin in einem im wesentlichen aus einem
Wirbeischichtreaktor und einem Verweilzeitreaktor bestehenden System, indem die einzelnen Phasen der Gesamtreaktion
entsprechend den reaktionstechnischen Erfordernissen den beiden Reaktoren zugeordnet werden.
Der bei endothermen Prozessen den Hauptanteil des Wärmebedarfs verbrauchende Schritt der Aufheizung
der Teilchen erfolgt im Wirbeischichtreaktor (Hauptreaktion). Das Erreichen der endgültigen Produktqualität,
das gegenüber der Hauptreaktion eine vergleichsweise längere Reaktionszeit (Nachreaktion),
z. B. aufgrund von Phasenumwandlungen oder Diffusionsprozessen,
erfordert und nur noch einer geringen Wärmezufuhr bedarf, geschieht dann im Verweilzeitre
aktor. Teilchen im Korngrößenbereich von beispielsweise 20 bis 300 μίτι, bezogen auf die mittlere Korngröße
dpso, werden sehr rasch aufgeheizt und reagieren
aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche sehr schnell, so daß in den meisten Fällen ca. 90% der Gesamtreaktion
bereits nach dem ersten Verlassen des Wirbelschichtreaktors abgelaufen sind. Die restliche
Reaktion erfolgt dann wirtschaftlicher sowie produkt- und apparateschonender im Verweilzeitreaktor.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Möglichkeit einer intensiven Wärmezufuhr im Wirbeischichtreaktor
mit den Vorteilen der weichen, weil zweistufigen Verbrennung. Dabei kann die zweistufige
Verbrennung derart geleitet werden, daß eine insgesamt nahstöchiometrische Verbrennung resultiert Diese
Form der Verbrennung ist dann zweckmäßig, wenn z. B. für Entwässerungs- oder Brennprozesse eine annähernd
neutrale Ofenatmosphäre erv·. -Tischt ist. Sofern nach dem erfindungsgemäßen Verfahre 1 ein Reduktionsprozeß
durchgeführt werden soll, wird die Dosierung der Sekundärluft derart bemessen, daß eine mehr
oder weniger stark reduzierende Atmosphäre entsteht. In der Ie" -tgenannten Ausführungsform kann durch Einleiten
von, ggf. vorgewärmter. Luft eine Nachverbrennung des Reaktorabgases vor Eintritt in die Schwebeaustauscher
vorgenommen werden.
Die aus den obengenannten Verweilzeiterfordernissen resultierenden Nachteiie werden vermieden durch
den Eintrag der von den Gasen abgeschiedenen Feststoff in den Verweilzeitreaktor, von dem gerade so viel
Feststoff zurückgeführt wird, als zur Einstellung der Suspensionsdichte im Wirbeischichtreaktor und als gegebenenfalls
zur Vermeidung nennenswerter Temperaturunterschiede im Gesainisystem Wirbeischichireaktor/Verweilzeitreaktor
notwendig ist.
Erfindungsgemäß werden die Betriebsbedingungen im Wirbeischichtreaktor und die Rückführung von Feststoff
aus dem Verweilzeitreaktor unter Berücksichtigung des neu aufgegebenen Materials derart gewählt,
daß in der Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung eine Suspensionsdichte entsprechend einem
Volumenanteil des Feststoffes am Reak'orraum von 2 bis 20% resultiert. Dies entspricht bei einer Dichte des
Feststoffes von 1,5 kg/1 einer Suspensionsdichte von 30 bis 300 kg/m3 und bei einer Dichte des Feststoffes von
5 kg/l einer Suspensionsdichte von 100 bis 1000 kg/m3.
Die Suspensionsdichte oberhalb der Sekundärluftleitung sollte derart gewählt werden, daß der Volumenanteil
des Feststoffes am Reaktorvolumen 0,2 bis 2% beträgt. Bei den vorgenannten Dichten der Feststoffe entspricht
dies einer Suspensionsdichte von 3 bis 30 kg/m3 bzw. 10 bis 100 kg/m3. Bei den vorgenannten Bedingungen
herrscht im Wirbeischichtreaktor ein Druckverlust von etwa 250 bis 900 mm WS.
Bei Definition dieser Betriebsbedingungen über die Kennzahlen von Fmude und Archimedes ergeben sich
die Bereiche:
0,1 < 3/4
0,1 <Ar< 100,
wobei
Ar -^s-
ist.
Es bedeuten:
Fr die Froudezahl
Ar die Archiinedeszahl
pg die Dichte des Gases in kg/mJ
pt die Dichte des Feststoffteilchens in kg/m3
c/t den Durchmesser des kugelförmigen Teilchens in
ν die kinematische Zähigkeit in m2/sec
g die Gravitationskonstante in m/sec2.
Die Suspensionsdichte im Verweilzeitreaktor ist demgegenüber
aufgrund der geringen Fluidisierungsgasgeschwindigkeit, die im wesentlichen lediglich eine Durchmischung
des Feststoffs bewirken soll, erheblich höher. Um den vollen Nutzen des Verweilzeitreaktors auszuschöpfen,
sollte sie derart sein, daß der Feststoffanteil am Gesamtvolumen größer als 35% beträgt. Ebenfalls
unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Dichten entspricht dies einer unteren Suspensionsdichte
von 560 kg/m3 bzw. 1750 kg/m3.
In der Definition bezüglich Froude und Archimedes ergeben sich der gleiche Archimedeszahlbereich wie im
Wirbelschichtreaktor und eine Froudezahl entsprechend
3/4 · Fr
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Die Abmessung von Wirbelschichtreaktor und Verweilzeitreaktor
relativ zueinander werden im wesentlichen von der zur Erzeugung einer bestimmten Produktqualität
erforderlichen mittleren Gesamtverweilzeit und vom spezifischen Wärmeverbrauch des endothermen
Prozesses bestimmt. Bei vorbestimmter Suspensionsdichte im Wirbelschichtreaktor und vorbestimmter
Brennstoffmenge pro Zeiteinheit ist mit steigendem (sinkendem) Wärmebedarf der zugeführte Anteil an frischem
Feststoff zu erniedrigen (erhöhen) und die aus dem Verweilzeitreaktor zurückzuführende Feststoffmenge
zu erhöhen (erniedrigen). Im allgemeinen ist es vorteilhaft, die mittlere Verweilzeit der Feststoffe im
Wirbelschichtreaktor auf 10 bis 30 Minuten und im Verweilzeitreaktor auf das 2- bis 1 Ofache einzustellen.
Bei der Definition der mittleren Verweilzeit im Wirbelschichtreaktor
geht die aus dem Verweilzeitreaktor rückgeführte Feststoffmenge mit ein und ist errechenbar
aus der Summe der mittleren Suspensionsdichten in beiden Reaktoren bezogen auf die stündliche Produktmenge.
Die Wahl der Fluidisierungs- und Sekundäriuftmengen, insbesondere aber die Aufteilung beider Gasströme
und die Höhe der Sekundärluftzuführung, geben zusätzliche Regelungsmöglichkeiten an die Hand.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
wird die Sekundärluft in einer Höhe zugeführt, die bei 10 bis 30% der Gesamthöhe des Wirbelschichtreaktors
liegt Das Verhältnis von dem Wirbelschichtreaktor zugeführter Sekundärluft zu Fluidisierungsluft
wird zweckmäßigerweise auf 10 : 1 bis 1 :1 eingestellt.
Sofern beispielsweise wegen des geringen spezifischen Wärmeverbrauchs eine nur geringe Rückführung
von Feststoff aus dem Verweilzeitreaktor, andererseits aber eine vergleichsweise lange Gesamtverweilzeit erforderlich
ist, ist es zweckmäßig, im Verweilzeitreaktor durch direkte Brennstoffzugabe zuzuheizen. Im Hinblick
auf die Temperatur im System dient dann die Zirkulation nicht der vollständigen Deckung, z. B. der Ab-Strahlungsverluste
des Verweilzeitreaktors, sondern lediglich der Feinregulierung.
Obgleich der Verweilzeitreaktor regelmäßig allein dazu bestimmt ist, den Hauptanteil der Gesamtverweilzeit
bereitzustellen, können auch zusätzliche Beeinflussungen des Feststoffes oder Reaktionen mit dem Feststoff
herbeigeführt werden. Hierzu kann beispielsweise anstelle von Luft Inertgas zur Fluidisierung verwendet
und/oder zur Teilchlorierung oder -fluorierung Chlor oder Fluor eingeführt werden.
Um eine hohe Warmewirtscnaiiiiciikeii des Verfahrens
zu erzielen, ist es vorteilhaft, das dem Prozeß zu unterwerfende Material in an sich bekannter Weise mit
dem Abgas des Wirbelschichtreaktors, vorzugsweise in Schwebeaustauschern, vorzuerhitzen und/oder zu entwässern.
Eine vorteilhafte Steuerung der Abgastemperatur bei insbesondere feuchtem Aufgabegut ist dadurch erzielbar,
daß das dem endothermen Prozeß zu unterwerfende Mate/ial dem Wirbelschichtreaktor teilweise direkt
und teilweise indirekt nach Entzug von Wärme des Abgasstromes aufgegeben wird. Durch geeignete Aufteilung
kann beispielsweise eine für die Reinigung des Abgases im Elektrofilter vorteilhafte Temperatur eingestellt
oder aber lediglich eine Unterschreitung des Taupunktes vermieden werden.
Im Hinblick auf eine weitgehende Wärmewirtschaftlichkeit
sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, den abgeführten Feststoffteiistrom in
einem Wirbelkühler, der vorzugsweise mehrere nacheinander durchfließbare Kühlkammern aufweist, zu
kühlen. Dieser Wirbelkühler kann zur Vorwärmung der Sekundärluft und/oder — durch zusätzlich in die Kammern
eintauchende Kühlregister — auch zur Vorwärmung von Fluidisierungsluft für den Wirbelschichtreaktor
und/oder für den Verweilzeitreaktor dienen.
Zur Fluidisierung des Wirbelkühlers kann — insbesondere bei Reduktionsprozessen, bei denen eine Reoxidation
des Reaktionsproduktes vermieden werden muß — anstelle von Luft auch Inertgas verwendet werden,
das im Kreislauf über einen Wärmeaustauscher, beispielsweise einen Venturiwäscher mit direktem Wassereintrag,
zwecks Kühlung und ggf. Reinigung geführt wird. Zur Verstärkung der Kühlwirkung kann in den
Wirbelkühler Wasser eingespritzt werden.
Die den Reaktoren zugeführten Gasmengen werden zweckmäßigerweise derart gewählt, daß im Wirbelschichtreaktor
eine Gasgeschwindigkeit von 3 bis 15 m/ see, vorzugsweise 4 bis 10 m/sec, und im Verweilzeitreaktor
Geschwindigkeiten von 0,1 bis 03 m/sec jeweils auf den leeren Reaktor bezogen, herrschen.
Die Arbeitstemperaturen sind in weiten Grenzen beliebig und richten sich nach den Gegebenheiten des beabsichtigten
Prozesses. Die Temperaturen können in einem Bereich liegen, der nach unten etwa durch die
Zündtemperatur des Brennstoffes und nach oben bis etwa 1500° C begrenzt ist
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar für
1) Entwässerungsprozesse kristalliner, anorganischer Verbindungen, wie Magnesium-, Eisen- oder Aluminiumhydroxid,
2) Brennprozesse, z. B. für Kalk, Dolomit, Entsäuern von Zement, Spaltprozesse für Eisensulfat oder
Magnesiumsulfat, wobei es vorteilhaft sein kann, bei Spaltprozessen in schwach reduzierender Atmosphäre
zu arbeiten,
3) metallurgische Prozesse bei hohen Temperaturen, z. B. Oxidation von Ilmenit, Reduktionsprozesse
mit langer Endreduktionszeit.
Die Erfindung wird anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele
beispielsweise und näher erläutert. Es veranschaulicht
F i g. 1 eine schematische Darstellung von Wirbelschichtreaktor und Verweilzeitreaktor,
F i g. 2 ein Fließschema der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens mit Abgas- und Feststoffkühlung,
F i g. 3 ein Fließschema der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens für Prozesse mit reduzierender Atmosphäre.
In der Darstellung gemäß F i g. 1 wird in den Wirbelschichtreaktor
1, der über Leitung 2 mit Fluidisierungsgas beaufschlagt wird, über Leitung 3 frisches oder bereits
vorgewärmtes Gut aufgegeben. Der Eintrag von Sekundärluft erfolgt über die Zufuhrleitung 4, der von
Brennstoff über Leitung 5. Der durch die herrschenden Betriebsbedingungen aus dem Wirbelschichtreaktor 1
ausgetragene Feststoff wird im oberen Bereich des Verweilz?itreaktors
6 vom Gas abgetrennt und gelangt in den unteren durch die Zuführung von Gas über Leitung
7 schwach fluidisierten Bereich. Die kontrollierte Rückführung von Feststoff in den Wirbelschichtreaktor 1 geschieht
über Leitung 8, die Entnahme über Austragsvorrichtung 9. Mit 10 ist eine zusätzliche Brennstoffleitung
zum eventuellen zusätzlichen Beheizen des Verweilzeitrcakiors 6 angedeutet.
Im Fließschema gemäß F i g. 2 wird der frische Feststoff
über eine Dosiervorrichtung 11 einem mit den Abgasen
des Wirbelschichtreaktors 1 beaufschlagten Schwebeaustauschersystem zugeführt. Es gelangt zunächst
in den im Gasfluß gesehen zweiten S~hwebeaustauscher 15, wird aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit
mit dem Gas ausgetragen, in den Abscheidern 16 und 17 vom Gas getrennt und dann über
Leitung 18 dem gasseitig ersten Schwebeaustauscher 12 zugeleitet. Nach erneutem Austrag über Leitung 13 und
Abscheidung im Abscheider 14 gelangt er schließlich über Leitung 3 in den Wirbelrchichtreaktor. Das aus
dem Feststoffabscheider 17 austretende Gas wird über Leitung 19 einer Gasreinigung (nicht dargestellt) zugeführt.
Im Wirbelschichtreaktor 1 wirbelt der Feststoff in der
Zone zwischen Fluidisierungsluftzuführung 2 und Sekundärluftzuführung
4 mit vergleichsweise hoher Suspensionsdichte. Oberhalb der Sekundärluftleitung 4
herrscht eine demgegenüber geringere Suspensionsdichte. Der von den Gasen ausgetragene Feststoff wird
im Verweilzeitreaktor 6 abgeschieden und durch Zugabe von Gas mit geringer Geschwindigkeit über Leitung
7 gerade in leichter Wirbelbewegung gehalten. Ober Leitung 8 wird kontrolliert ein Feststoffteilstrom in den
Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt und über die Austragsvorrichtung 9 ein weiterer Feststoffteilstrom
über Gasleitung 23 und Zyklon 24 einem Wirbeikühier 30 zugeleitet Der Wirbelkühler 30 weist Kühlkammern
31,32,33 und 34, in die jeweils ein durchgehendes Kühlregister
21 eintaucht, auf. Die über Leitung 22 zugeführte Fluidisierungsluft wird in der Leitung 23 gesammelt,
im Zyklon 24 weitgehend von Feststoff befreit und als Sekundärluft über Leitung 4 in den Wirbelschichtreaktor
1 eingeführt. Die durch Kühlregister 21 geführte Luft gelangt als Fluidisierungsluft in den Wirbelschichtreaktor
1 über Leitung 2. Das gekühlte Gut wird über Leitung 25 ausgetragen, nachdem es in zwei mit Wasser
gekühlten Kammern 26 und 27 indirekt nachgekühlt worden ist.
Eine Variante in der Ausführung des Verfahrens besteht darin, einen Teil der aus dem Zyklon 24 austretenden
Luft über Leitung 29 dem aus dem Verweilzeitreaktor 6 austretenden Gas, z. B. zwecks Nachbrennung reis
duzierender Bestandteile, zuzuführen. Auch kann ein Teil der von den Abscheidern 16 und 17 niedergeschlagenen
Feststoffe unter Umgehung des gasseitig ersten Schwebeaustauschers 12 direkt dem Wirbelschichtreaktor
1 über Leitung 28 zugeleitet werden.
Die Vorrichtung der F i g. 3, die speziell für Reduktionsprozesse konzipiert ist, weist hinsichtlich des Wirbelkühlers 30 insofern eine Abänderung gegenüber dem Wirbelkühler 30 der F i g. 2 auf. als lediglich eine Kühlkammer vorgesehen ist. Die Kühlkammer weist ein Kühlregister 21 zur Vorwärmung von dem Wirbelschichtreaktor 1 als Fluidisierungsluft zuzuführender Luft und ein mit Wasser beaufschlagtes Kühlregister 35 zur Erzeugung von Dampf auf.
Die Vorrichtung der F i g. 3, die speziell für Reduktionsprozesse konzipiert ist, weist hinsichtlich des Wirbelkühlers 30 insofern eine Abänderung gegenüber dem Wirbelkühler 30 der F i g. 2 auf. als lediglich eine Kühlkammer vorgesehen ist. Die Kühlkammer weist ein Kühlregister 21 zur Vorwärmung von dem Wirbelschichtreaktor 1 als Fluidisierungsluft zuzuführender Luft und ein mit Wasser beaufschlagtes Kühlregister 35 zur Erzeugung von Dampf auf.
Anstelle eines Wirbelkühlers 30 können bei Reduktionsprozessen, bei denen eine Reoxidation des erzeugten
Produktes vermieden werden muß, auch ein direkt mit Wasser beaufschlagter Zyklonkühler oder ein indirekt
und/oder direkt gekühlter Trommelkühler eingesetzt werden.
Eine weitere Abänderung gegenüber dem Fließschema gemäß Fig.2 liegt in der Zufuhr von Kaltluft über
eine separate Leitung 36 anstelle der Leitung 29 gemäß F i g. 2.
B e i s ρ i e I 1
(mit Bezug auf Fig. 2)
Trocknung und Kalzination von filterfeuchtem
Aluminiumhydroxid
Aluminiumhydroxid
Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von
2,15 m und einer lichten Höhe von 12 m. Der Eintritt von
Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 2,5 m über dem Gasverteiler und der von Heizöl in einer Höhe von
0,4 m über dem Gasverteiler.
Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser
von 1,6 m und eine lichte Höhe von 7 m.
Der Wirbelkühler 30 besitzt sechs Kammern, von denen vier (31 bis 34) ausschließlich mit Luft und zwei (26
und 27) indirekt mit Wasser gekühlt werden.
Ober Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 18,2 t filterfeuchtes Aluminiumhydroxid (12% anhaftende
Feuchte) dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt
eine Temperatur von 400°C. Mit 1300C tritt die Gas/
Feststoff-Suspension in die Abscheider 16 und 17. Das Abgas wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff
gelangt über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12. Hier bildet sieh mit dem mit 11000C aus dem Verweiizeitreaktor
austretenden Gas eine Mischtemperatur von 4000C aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Sus-
pension über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1
zuleitet. Die Feststoffmenge beträgt an dieser Stelle noch etwa 11,5 t/h, sein Glühverlust 10%.
Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 3600 NmVh Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit
7100NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30 auf 62O0C bzw. 700° C vorgewärmt, sowie mit 860 kg/h
schwerem Heizöl (Leitung 5) beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung entsteht eine Temperatur von
HOO0C.
Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwischen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca.
250 kg/m3 und oberhalb der Sekundärluftleitung 4 ca. 20 kg/m3. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — bezogen
auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 5 m/ see.
Die mit den Gasen aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verw'cilZcitFcäiCtOrS υ äugcäCuicucu UHu iffi wntcPtCii gC-
sammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 180 Nm3/h nicht vorgewärmter Luft fluidisiert.
Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 10,2 t Aluminiumoxid mit einer Temperatur von 11000C
ausgetragen und über1 Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbelkühler 30 wird
mit 7100NmVh Luft fluidisiert, die sich letztlich auf
700° C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte Luft in Mengen von 3600 NmVh heizt sich auf 620° C
auf. In den Kühlkammern 26 und 27 erfolgt schließlich noch eine Kühlung mit im Kreislauf geführtem Kühlwasser.
Das Aluminiumoxid tritt über 25 mit einer Temperatur von 80° C aus.
Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 1,5 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und
den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :3,3 auf.
Die Korngrößenverteilung des erzeugten Aluminiumoxids
beträgt;
12% > 90 μηη
48% > 63 μπι
75% > 44 μπι
92% > 25 μπι
48% > 63 μπι
75% > 44 μπι
92% > 25 μπι
Hier bildet sich mit dem mit 9500C aus dem Verweilzeitreaktor
6 austretenden Gas eine Mischtemperatur von 5000C aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Suspension
über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1
zuleitet.
Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 4000 NmVh Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit
9340 NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30
ίο auf650°Cbzw. 700°C vorgewärmt, sowie mit 1080 kg/h
schwerem Heizöl (Leitung 5 beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung entsteht eine Temperatur von
950° C.
Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwisehen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca. 250 kg/m3 und oberhalb der Sekundäriuftleitung 4 ca. 20 kg/m3. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — b':- zogen auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 6,9 m/ see.
Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwisehen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca. 250 kg/m3 und oberhalb der Sekundäriuftleitung 4 ca. 20 kg/m3. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — b':- zogen auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 6,9 m/ see.
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ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verweilzeitreaktors
6 abgeschieden und im Unterteil gesammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 186 NmVh
nicht vorgewärmter Luft fluidisiert, wobei eine Gasgeschwindigkeit von 0,15 m/sec erzielt wird. Die mittlere
Suspensionsdichte beträgt 1000 kg/m3.
Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 12,5 t kalziniertes Material mit einer Temperatur von
9500C ausgetragen und über Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbeikühler 30
wird mit 9340 NmVh Luft fluidisiert, die sich letztlich auf 700°C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte
Luft in Mengen von 4000 NmVh heizt sich auf 6500C auf. In den Kühlkammern 26 und 27 erfolgt schließlich
noch eine Kühlung mit im Kreislauf geführtem Kühlwasser. Das Kalzinat tritt über 25 mit einer Temperatur
von 100° C aus.
Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 1,0 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und
den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :2 auf.
Beispiel 2
(mit Bezug auf F i g. 2)
(mit Bezug auf F i g. 2)
Kalzination von Dolomit zu CaO ■ MgO
Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 2 m
und einer lichten Höhe von 16 m. Der Eintritt von Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 3 m über dem Gasverteiler
und der von Heizöl in einer Höhe von 0,5 m über dem Gasverteiler.
Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser
von 1,4 m und eine lichte Höhe von 5,5 m.
Der Wirbelkühler 30 besitzt sechs Kammern, von denen vier (31 bis 34) ausschließlich mit Luft und zwei (26
und 27) indirekt mit Wasser gekühlt werden.
Über Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 24 t Dolomit
dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt eine
Temperatur von 5000C. Mit 2000C tritt die Gas/Feststoff-Suspension
in die Abscheider 16 und 17. Das Abgas wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff gelangt
über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12.
Beispiel 3
(mit Bezug auf F i g. 3)
(mit Bezug auf F i g. 3)
Reduktion von Hämatit zu Magnetit
Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 1,0 m
und einer lichten Höhe von 18 m. Der Eintritt von Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 3,0 m über dem
Gasverteiler und der von Heizöl in einer Höhe von 0,4 m über dem Gasverteiler.
Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser
von 1,0 m und eine lichte Höhe von 5 m.
Der Wirbelkühler 30 besitzt eine Kammer, die ein mit
Luft beaufschlagtes Kühlregister 21 und ein mit Wasser beaufschlagtes Kühlregister 35 aufweist
Über Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 20 t Lateritharz
mit der chemischen Analyse
52,6% | Fe^ |
0,17% | Fe^+ |
9% | SiO2 |
7,!% | AI2O3 |
8,7% | Glühverlust |
und einem mittleren Korndurchmesser von ca. 60 μπι
dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem
11
Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt eine Temperatur von 3900C. Mit I5O°C tritt die Gas/Feststoff-Suspension
in die Abscheider 16 und 17. Das Abgus
wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff gelangt über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12.
Hier bildet sich mit dem mit 750°C aus dem Verweilzeilreaktor
austretenden Gas eine Mischtemperatur von 390cC aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Suspension
über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1
zuleitet. Infolge des Glühverlustes beträgt die Feststoffmenge an dieser Stelle noch etwa 18,7 t/h.
Weitere 5,8 t/h des oben näher bezeichneten Erzes werden direkt in den Wirbelschichtreaktor 1 eingetragen.
Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 1233 Nm3/h
Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit 3527 NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30
auf 2000C vorgewärmt, sowie mit 421 kg/h schwerem Heizöl (Leitung S) beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung
mit insgesamt Sauerstoffunterschuß entsteht eine Temperatur von 7500C und ein reduzierendes Gas,
in dem das Verhältnis
C0 - 0.2
CO + CO2
beträgt.
Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwischen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca.
400 kg/m3 und oberhalb der St!<undärluftleitung 4 ca.
30 kg/m3. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — bezogen
auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 6,3 m/ see.
Die mit den Gasen aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verweilzeitreaktors
6 abgeschieden und im Unterteil gesammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 140 Nm3Zh
nicht vorgewärmter Luft fluidisiert und durch Eintrag von 15 g/h Heizöl über Leitung 10 zusätzlich beheizt.
Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 17,66 t Magnetit mit einer Temperatur von 7500C ausgetragen
und über Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbelkühler 30, in dem
eine Reoxidation des Magnetits verhindert werden muß, wird mit 3527 Nm3/h Luft fluidisiert, die sich letztlich auf
2000C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte Luft in Mengen von 1223 Nm'/h heizt sich ebenfalls auf
200°C auf. Mittels Kühlregister 35 erfolgt schließlich noch eine Kühlung mit Wasser unter gleichzeitiger Erzeugung
von Dampf. Das Magnetit tritt über 25 mit einerTemperaturvon200°Caus.
1060 NmVh Kaltluft werden über Leitung 36 dem reduzierenden
Abgas des Verweilzeitreaktors 6 zur Nachverbrennung zugem'scht Bei der Nachverbrennung
heizt sich die zugeführte Luft auf 7500C auf, so daß als
Mischtemperatur die in den Reaktoren 1 und 6 herrschende Gastemperatur erhalten bleibt.
Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 0,5 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und
den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :5 auf.
Die Korngrößenverteilung der erzeugten Magnetits beträgt:
100% < ΙΟΟμπι
52% < 62,5 μπι
52% < 62,5 μπι
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse bei einem Wirbelschichtzustand mit stark aufgelockerter
Wirbelschicht und einem Gefälle der Feststoffkonzentration von unten nach oben sowie
Austrag der Feststoffe zusammen mit den Gasen am oberen Teil des Schachtes, wobei die Feststoffe vom
Gas getrennt und mindestens teilweise in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt werden, das dem
Prozeß zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor aufgegeben und Sekundärluft oberhalb
des Gasverteilers zugeleitet werden sowie die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Beheizung
durch Zufuhr von Brennstoff in die Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung erfolgt
dadurch gekennzeichnet, daß man die vom Gas abgetrennten Feststoffe in einen mit geringer
Geschwindigkeit fluidisierten Verweilzeitreaktor (6) utEf-i Einstellung einer Suspensionsdichte
entsprechend einem Feststoffvolumenanteil an der Volumeneinheit des Verweilzeitreaktors (6) von größer
als 35% einträgt,
einem Feststoffteilstrom in den Wirbelschichtreaktor (1) zur Einstellung einer Suspensionsdichte entsprechend
einem Volumenantdl des Feststoffes an der Volumeneinheit des Wirbelschichtreaktors (1)
von 2 bis 20% in der Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftzuführung (4) und einer Suspensionsdichte
entsprechend einem Volumenanteil des Feststoffes ai. der Volumeneinheit im Wirbelschichtreaktor
(1) von 0,2 bis.?% in i'r Zone oberhalb der
Sekundärluftzuführung kontrolliert rückführt, und
ein weiterer Feststoffteilstrom r-ih hinreichend langer Verweilzeit abführt, ausgenommen die thermische Spaltung von Aluminiumchiöridhydrat mit KaI-zination zu Aluminiumoxid.
ein weiterer Feststoffteilstrom r-ih hinreichend langer Verweilzeit abführt, ausgenommen die thermische Spaltung von Aluminiumchiöridhydrat mit KaI-zination zu Aluminiumoxid.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Feststoffe
im Wirbelschichtreaktor (1) auf 10 bis 30 Minuten eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der An Sprüche
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Feststoffe im Verweilzeitreaktor
(6) auf das 2- bis lOfache der mittleren Verweilzeit im Wirbelschichtreaktor (1) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sekundärluft in einer Höhe entsprechend 10 bis 30% der Höhe des Wirbelschichtreaktors (1) zugeführt
wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis von dem Wirbelschichtreaktor (1) zugeführter Sekundärluft zu Fluidisierungsluft auf 10:1
bis 1 :1 eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verweilzeitreaktor (6) beheizt wird.
/. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Prozeß zu unterwerfende Material mit den Abgasen
des Wirbelschichtreaktors (1), vorzugsweise in Schwebeaustauschern (12), (14), (15), vorerhitzt und/
oder entwässert wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
dem Prozeß zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor (1) teilweise direkt und teilweise indirekt
nach Entzug von Wärme des Abgases aufgegeben wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
abgeführte Feststoffteilstrom in einem Wirbelkühler (30), der vorzugsweise mehrere nacheinander durchfließbare
Kammern (31,32,33,34) aufweist, gekühlt
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeführte Feststoffteilstrom in
einem mit Kühlregistern (21) zur Aufheizung der Fluidisierungsluft ausgestatteten Wirbelkühler (30)
und/oder Vorwärmung der Sekundärluft für den Wirbelschichtreaktor gekühlt wird.
Priority Applications (17)
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FR7614261A FR2313120A1 (fr) | 1975-06-03 | 1976-05-12 | Procede pour effectuer des processus endothermiques |
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