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Kreislaufverfahren zur Bntschwefelung von Rauchgasen
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Es ist bckannt, SOx-haltiges Rauchgas unter Verwendung von Ammoniak
mit sulfithaltiger wäßriper Lösung zu waschell, um z. . 90 ,' des Gehalts an Schwefelverbindungen
zu entfernen.
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Die in einer oder mehreren Stufen im Umlauf geförderte 1J',5'ehlösung
enthält des Hydrogensulfit, Sulfit, Sulfat sowie etwas thiosulfat und Trithionat
des Ammoniums. Entsprechend der absorbieren SOx-Menge wird ständig ein Teil der
Waschlösung nusgekreist und regeneriert oder aufgearbeitet.
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Ein Regenerierverfahren arbeitet durch Rektifikation der Wasch lösung
und Rückführung der desorbierten Lösung in die wäsche, wobei das Ammoniuhydrogensulfit
unter Bildung des Sulfits Schwefeldioxid abgibt. Aus dem Sulfit wird beim Erhitzen
der Lösung aber auch Ammoniak frei. Deshalb verbraucht die Rektifikation sehr große
Mengen Heizdampf und Kühlwasser. Auf diesen wirtschaftlichen Mangel des Verfahrens
hat die amerikanische Tennessee Authority in der Monographie Sulfur Oxide Removal
from Power Plant Stack Gas, 1970, Seite 18, auch auf Grund von H.F. Johnstone, hingewiesen.
Über den Verbleib des Sulfats und der anderen Schwefelverbindungen, die sich anreichern,
sagt die genannte Literatur nichts aus.
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Es ist auch bekannt, die Sulfite in der Waschlösung mit Ammoniumhydrogensulfat
umzusetzen, wobei reiches SO2-Gas entweicht.
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Aus der verbleibenden Lösung wird das Ammoniumsulfat durch Eindampfen
kristallisiert und abgetrennt. Beim Schmelzen des Salzes entstehen NH3-Gas und Ammoniumhydrogensulfat.
Das Ammoniak wird bei der Gaswäsche wiederverwendet. Die Hauptmenge des NH4HSO4
kehrt an den Anfang des Verfahrens zurück und der andere Teil wird zu Ammoniumsulfat
und SO, reduziert. Das Sulfat kehrt ebenfalls in den Kreislauf zurück.
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In diesem Verfahren kann das Ammoniumsulfat zum Schmelzen und Abspalten
von einem Mol Ammoniak unter Durchleiten von überhitztem Wasserdampf indirekt, z.B.
durch Verbrennungsgase, erwärmt werden (Deutsche Patentschrift 1 267 671).
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Erhitzt man aber nach vorli@gender Erfindung dirckt mit möglichst
geringem Luftüberschuß, um Er@@@stoff zu sparen und die Ammoniakausbeute hoch zu
halten, so wind ein kleiner Teil des Hydrogensulfats reduziert und das a@@oniakges
@@hrt etwas SO2 mit sich.
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Da das Gas in die Rauchgaswäsche zunäckkchrt, stört das SO2 nicht,
sordern es entsteht in der Weschlösung A@@onimsulfit, das aus dem Rauchgas weiteres
SO2 unter Bildung des Hydrogensulfits aufnimmt.
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Die Reduktion verlauft z.B. nach der Gleichung 2, H4H@O4 + CO = (NH4)2SO4
+ H2O +CO2 + SO2.
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Die direkte Heizung Lann sewchl in Tauchbrennern stattfinden als auch
in liegerden oder stchenden Öfen mit säure- und feuerfester Auskleidung. Im Tauchbrennerkessel
befindet sich die vorwiegend hydrogensulfathaltige Schmelze, der laufend festes
Sulfat zugeführt und iiydrogensulfat entnommen wird. Zur Beschickung der Öfen wird
gemahlenes oder geschmolzenes Sulfat zerstäubt und Hydrogen-oder Pyrosulfatschmelzen
werden ausgetragen.
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Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß ein besonderer Arbeitsgang
und Ausrüstungen zum Reduzieren des Hydrogensulfats nicht erforderlich sind. Trotzdem
werden hohe NH3 - und S02-Konzentrationen und -Ausbeuten erreicht.
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Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
die Schmelze und Zersetzung des Ammoniumsulfats bei indirekter Heizung durchgeführt.
Dabei entstehen Hydrogen- oder Pyrosulfat und Ammoniakgas. Eine Bildung von Schwefeldioxid
unterbleibt, weil das Hydrogensulfat nicht mit reduzierenden Stoffen in Berührung
kommt. Aber es findet ein ständiger Zuwachs an Sulfat, Thiosulfat und Trithionat
statt.
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Zur Kompensation wird laufend etwas Ammoniumsulfatlösung, wie sie
durch Umsetzung der Waschlösung mit Hydrogensulfat entsteht, ausgekreist und im
Kesselfeuer verbrannt. Dabei wird zwar das Ammonium oxidiert, aber der sechswertige
Schwefel wird zum vierwertigen reduziert, etwa nach den Gleichungen (NH4)2S04 +
O, = N2 + 4 H20 + S02, (NH4)2S2O3 + 2,5 02 = N2 + 4 H20 + 2 SO2, (NH4)2S306 + 2
02 = N2 + 4 H20 + 3 502.
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I)ie tcill,eise reduzierende Bedingung wird durch übliche X,uftim
Kesselfeuer eingchalten, die vorzugsweise etwa 0 bis 3, sonst bis 8 Vol.-% 02 im
Rauchgas entsprechen. Das 502 wird bei der Rauchgaswcische wieder erfaßt und durch
Umsetzung der Waschlösung mit Hydrogensulfat als Reichgas entbunden.
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Auch diese Arbeitsweise zeichnet sich dadurch aus, daß besondere Verfahrenssc}iritte
und Ausrüstungen ur Reduktion des ;,ulf.tUs völlig eingespart werden. Da Rauchgase
mit niedrigem Sauerstoffgehalt wenig S03 enthalten und die Sulfite in der Waschlösung
kaum oxidieren, bleibt der Ammoniakverlust durch die Verbrennung unter 10 %. Das
ist angesichts der genannten Einsparungen wirtschaftlich tragbar. Die neue Arbeitsweise
hat den ausschlaggebenden weiteren Vorzug, daß alles Schwefeldioxid in Konzentrationen
über 80 Vol.-% anfällt, währendsiez.B. im Verfahren nach der Deutschen Patentschrift
1 467 005 kaum die Grenze zum Weiterverarbeiten auf Schwefelsäure erreichen.
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Überraschenderweise werden Dampfkesselanlagen, aus denen man Ablagerungen
durch Rußbläser regelmäßig entfernt, durch Verbrennungsprodukte von Ammonium-Schwefel-Verbindungen
nicht angegriffen und die Gase sind praktisch frei von NOx Gemäß vorliegender Erfindung
kann auch aus dem genannten Absorptions-Rektifikations-Kreislauf etwas desorbierte
Lösung entfernt werden, um den Zuwachs an Sulfat, Thiosulfat und Trithionat durch
Verbrennung im Kesselfeuer auszugleichen. Allerdings führt diese Lösung auch Sulfite
mit sich, von denen um so mehr verlorengehen, Je weniger Sulfat sie enthält.
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Der Sulfatgehalt der zirkulierenden Waschlösung kann zwar angereichert
werden, aber nicht hoch genug, ohne dabei die Löslichkeit der Sulfite zu beeinträchtigen.
Bei Siedetemperatur ist das Sulfit leichter löslich als das Sulfat, so daß ein Teil
der Lösung bis zur Kristallisation von Ammoniumsulfat eingedampft werden kahn. Das
Salz wird abgetrennt, in Wasser gelöst und die Lösung wird dann im Kesselfeuer verbrannt,
wobei außer den schon angeführten auch folgende Reaktionen stattfinden: (NH4)2SO3
+ 1,5 O2 = N2 + 4 H20 + SO2 2 NH4HSO3 + 1,5 O2 = N2 + 5 H20 + 2 SO,
Die
liutterlauger kehrt in den Kreislauf der Waschlösung zurück.
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1)z,s S02 verläbt die Rauchgasentschwefelungsanlage mit ( m Desorptionsgas.
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Die Rauchgasentschwefelung mit Hilfe und durch Wiedergewinnung von
Am enink nach dieser Erfindung hat außer den schon genannten Vorzügen an keiner
Stelle den Fachteil, daß etwa Abfälle oder Schadstoffe entständen, die zu neuen
U1 weltproblemen führen kömiten.
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Das Schwefeldioxid fällt in solchen Konzentrationen an, daß es auf
Schwefelsäure oder Schwefel verarbeitet, verflüssigt oder anderweitig verwertet
werden kann.
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Das Verfahren eignet sich sowohl für Rauchgase fossiler Brennstoffe
als auch für SOx-haltige Abgase anderer Herkunft. Es unterscheidet sich von vielen
anderen dadurch, daß an keiner Stelle der Apparatur Schwierigkeiten durch Krusten
oder Ablagerungen auftreten.
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Zweckmäßig sollten staubhaltige Abgase, z.B. Rauchgase aus Kohlefeuerungen,
vor der Entschwefelung wie üblich elektrostatisch gereinigt werden. Den Reststaubgehalt
von etwa 150 mg/Nm3 entfernt eine Vorwäsche mit Wasser, z.B. in einem Venturiwäscher
oder/und einem Sprühwäscher. Von der Waschflüssigkeit kreist soviel aus, daß sie
mit pH-Werten zwischen 1 und 0 zirkuliert. Der Abstoß wird geklärt, zentrifugiert
oder filtriert und nach vorliegender Erfindung im Kesselfeuer verbrannt. Oder er
wird neben Ammoniumhydrogensulfat zum Entbinden des Schwefeldioxids aus den Ammoniumsulfiten
der Waschlösung verwendet. Das Wasser verdampft dann bei der Kristallisation des
Ammoniumsulfats. Auch der so anfallende Schlamm geht ins Kesselfeuer.
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Enthalten die Rauchgase Halogenwasserstoffe und reichern sich die
entsprechenden Säuren in der Waschflüssigkeit an, dann muß der Abstoß in der bisherigen,
umweltschädlichen Weise mit Kalk neutralisiert, der Schlamm deponiert und die klare,
calciumsulfat- und -halogenidhaltige Flüssigkeit in den Vorfluter geleitet werden.
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Die folgenden Beispiele 1 und 2 beziehen sich auf vorgewaschenes oder
auf staubfreies Rauchgas, was aus Ölfeuerungen.
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Beispiel 1 a) Stündlich 80 000 Nm3 Rauchgas mit 352 kg SO2 und 44
kg SO3 liefern 1446 kg Waschlösung mit 4,5 % (NH4)2SO4, 27,4 % NH4HSO3, 8,0 % (NH4)2SO3
und 60 % Wasser. Der Auswascheffekt in zwei nächeinander geschalteten Strahlwäschern
beträgt 91 %. Geeignet sind auch Ve t)l.C riserubber, Ventilbodenwäscher, leere
oder gefüllte Türme.
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b) Die Waschlösung wird mit 690 kg NH4HSO4-Schmelze von 550°C zu 1598
kg laische mit 858 kg gelöstem uid fettem (NH4)2SO4 umgesetzt. Dabei entweichen
218 kg Wasserrdampf und 320 kg SO2 Durch weiteres Eindampfen kristallisieren insgesamt
858 kg (NH4)2504, das abzentrifugiert wird.
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c) Das (NH4)2S04 wird durch direkte heizung, z.B. lnittels Tauch-0
brenner, geschmolzen und bei 150 bis 400 C zerlegt in 747 kg NH4HSO4 und 111 kg
NH. Der Brenner wird mit Heizöl bei etwa 1 Vol.-% O2 im Rauchgas betrieben, so daß
114 kg NH4HS04 zu 66 kg (NH4)2SO4 und 32 kg S02 reduziert werden.
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d) Das NH3 und das S02 kehren, durch das Verbrennungsgas und die anderen
Reduktionsprodukte, wie 9 kg H20 und 22 kg 002, verdünnt, zusammen etwa 650 Nm3,
nach a) in die Waschlösung zurück. Die Wandtemperatur der Gasleitung wird durch
Begleitheizung über 1500C gehalten, um Ablagerungen von Sulfit, Carbonat und Carbamat
zu verhüten.
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e) Die sulfat- und pyrosulfathaltige Ammoniumhydrogensulfatschmelze,
entsprechend 690 kg NH4HSO4, wird vom Tauchbrenner c) nach b) gebracht und zur Umsetzung
mit der Waschlösung verwendet.
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f) Wegen Rückführung des durch Reduktion bei c) entstandenen SO, erhöhen
sich alle Mengen um etwa 10 %. Unvermeidliche Ammoniakverluste, u.a. mit dem entschwefelten
Rauchgas, werden durch Einführen von z.B. 5 kg NH3 in die Waschlösung bei a) laufend
ersetzt.
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g) Das SO, aus b) kann nach Auskondensation des Wassers auf Schwefelsäure
oder Schwefel verarbeitet werden. Das S02 aus c)
findet rich im
Gas aiis b) wieder, ohne dessen hohe SQ2-Konzentration von über 80 % zu mindern.
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Beispiel 2 a) Wie Beispiel 1 a).
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b) Die Waschlösung wird mit stündlich 670 kg NH4HSO4-Schmelze von
350° C zu 1598 kg Maische mit 858 kg gelöstem und festem (NH4)2SO4 umgesetzt. Dabei
entweichen 218 kg Wasserdampf und 520 kg SO2. Von der Tische wird ein kleiner Teil
dekantiert wird soviel klare Lösung entnemmen, wie etwa 79 kg (NH4)2SO4 entspricht.
)ie Fauptmenge des gelösten (NH4)2S04 wird durch Weiteres Findampfen kristallisiert,
so daß insgesamt 179 kg (NH4)2504 abzentrifugiert werden.
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c) Die genannte Menge (NH4)2SO4-Kristalle wird durch indirekte Heizung,
z.B. in einer Bisulfatretorte, bei 150 bis 4000C geschmolzen und in 679 kg NH4HSO4
und 100 kg NH3 zerlegt.
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d) Die Lösung entsprechend 79 kg (NH4)2S04 aus Umsetzung b) wird im
Kesselfeuer verbrannt, wobei durch Reduktion 38 kg S02 entstehen. Die Feuerung arbeitet
mit Sauerstoffüber-Schüssen zwischen 0 und 3 Vol.-% 02.
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e) Das NH3-Gas aus dem Schmelzvorgang c) kehrt nach a) zurück und
wird in der Waschlösung absorbiert.
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f) Die Ammoniumhydrogen- und -pyrosulfatschmelze entsprechend 679
kg NH4HSO4 wird vom Schmelzvorgang c) zur Umsetzung b) zurückgeführt.
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g) Wegen Rückführung von (NH4)2S04 in die Feuerung d) erhöhen sich
alle Mengen um etwa 10 %. Die Verluste von rund 25 kg NH3 sind durch laufende Zuführung
von frischem Ammoniak in die Waschlösung bei a) zu ersetzen, zumal etwa 20 kg NH3
im Kesselfeuer verbrennen.
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h) Das S02-Gas aus der Umsetzung b) steht nach Kühlung und Kondensation
des Wassers in hoher Konzentration für die Erzeugung von Schwefelsäure oder Schwefel
zur Verfügung. Das S02
aus der Verbrennung von (NH4)2So4-Lösung
bei d) erhöht den Gehalt im rauchgas um 0,017 Vol. -% SO2. Es verläßt die Anlage
mit dem Reich-SO2-Gas aus Umsetzung b). Der Wasserdampfgehalt in Rauchgas nirimt
durch die Verbrennung der (NH4)2SO4-Lösung um 0,2 bis 0,3 Vol.-% H20 nur unwesentlich
zu.
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i) Rauchgase enthalten under üblichen Bedingungen 0,02 bis 0,03 Vol.
-% NO. Durch Verbre@@ung der ge@@mten (NH4)2SO4-Kengen kann die Kenzentration um
0,0002 vol. -% NO steigen. Das ist belanglos, zumal die Wäsche des Gases it Ammonionsalzl
ösungen über die Reaktion NH4HO2 = -= N2 q 2 120 denitrierend wirkt.
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Beispiel 3 Die Arbeitsweise mit indirekter Heizung beim Zerlegen des
Ammoniumsulfats ist für staubhaltiges Steinkohlenrauchgas schematisch dargestellt.
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Nach der Abbildung tritt das Rauchgas 12 mit Temperaturen zwischen
120 und 3000C in einen Gleichstrom-Vorwäscher (Venturiwäscher) 1 von oben ein. Bei
13 wird dem Waschkreislauf 14 Frischwasser zugeführt. Das vorgewaschene, wasserdampfgesättigte
Gas strömt mit etwa 600C durch Leitung 15 in einen Gegenstrom-Sprühwäscher 2, dessen
Flüssigkeitskreislauf über 19 und 20 mit dem des Wäschers 1 parallel geschaltet
ist. Beide Waschkreisläufe können teilweise auch über 17 und 18 geführt werden,
wenn der Staubgehalt des Gases eine ständige Dekantation der Flüssigkeit in einem
Klärbecken 3 erforderlich macht. Gewöhnlich wird nur der Flüssikeitsüberschuß durch
17 ausgekreist und in 3 geklärt. Zum Abtrenne der Feststoffe können anstelle der
Klärung oder außerdem auch Filter oder Zentrifugen benutzt werden.
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Der Schlamm 22 enthält einen kleinen Bruchteil der Asche des Brennstoffs.
Sein Feuchteanteil ist etwa normale Säure mit 1 g H+-Ionen pro Liter in Form von
H2S03, H25O4 und, jedoch nicht immer, Halogenwasserstoffsäuren. Er kann mit gemahlenem
Branntkalk neutralisiert und dann mit der Asche aus dem Feuerraum
und
dem Staub der Elektrofilter in die üblichen Klärteiche geschv@@mt werden. Das ist
ater nur erforderlich, wenn sich in der Waschflüssigkeit Halogenwasserstoffe aus
dem Rauchgas anreichern.
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Sonst wird der Schlamm 22 gemäß vorliegender Erfindung in die Kesselfeuerung
zurückgeführt und verbrannt. Dadurch steigt der Staubdurchsatz um etwa 1 %. Auch
die Konzentration der Schwefelverbindungen nimmt nur um einen kleinen Bruchteil
des natürlichen SOx-Gehalts im Rauchgas zu. Der seehswertige wird zum vierwertigen
Schwefel reduziert, kehrt also als SO2 ins Rauchgas zurück. Anste3le des Schlam!nes
kann auch das Dekantat 23 teilweise oder ganz in die Kesselfeuerung rezirkuliert
und verbrannt werden.
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Aus dem Sprühwäscher 2 strömt das Gas in einen Ventilbodenwäscher
4, wo es mit wäßrigen Lösungen, die das Hydrogensulfit, Sulfit, Sulfat, etwas Thiosulfat
und Trithionat des Ammoniums enthalten, bei pH-Werten zwischen 5 und 7 gewaschen
wird. Der Entschwefelungsgrad beträgt mindestens 90 %. Das Reingas 16 verläßt den
Wäscher 4 mit Restschwefelgehalten von etwa 100 ppm Vol. SO oder 150 mg S/Nm3 und
rund 20 mg NH3/Nm3. Der Flüssigkeitskreislauf über die Leitungen 24 und 25 sowie
einen Fufferbehälter 5 gibt bei 26 den Zuwachs an einen Reaktionsbehälter 6 ab.
Hier werden die Sulfite mit dem Dekantat 21 und mit heißem, geschmolzenen Hydrogensulfat
30 zu gelöstem und festem Sulfat 33 und feuchtem Schwefeldioxidgas 27 umgesetzt.
Das Gas wird in einem Kühler 7 von der Hauptmenge des Wassers befreit und durch
28 dem Verwendungszweck zugeführt. Das Kondensat 29 fließt in den Pufferbehälter
5 zurück. In diesen Behälter tritt auch das rückgewonnene Ammoniak durch eine beheizte
Leitung 31 nach Ergänzung üblicher Verluste bei 32 ein.
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Reaktionsbehälter 6 liefert die siedendheiße, schwefeldioxidfreie
Maische 33 an einen Vakuumeindampfer 9 mit Umlauferhitzer 10, wo auch das gelöste
Ammoniumsulfat auf Korn verkocht wird.
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Der Umlauf ist durch 34 und 35 gekennzeichnet. Der Wasserdampf entweicht
durch eine nicht dargestellte Vakuumpumpe bei 36 ins Freie oder er wird kondensiert
und als Frischwasser bei 13 wieder eingesetzt. Die Konzentratmaische 37 fließt über
einen nicht
abgebildeten barometrischen Versehluß in eine Zentrifuge
11.
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Die Haupt@@nge des Zentrifugats 39 kehrt in den Umlauferhitzer 10
zurück. Ein kleiner Teil feuer, nämlich so viel wie erforderlich ist, um den Sulfatzuwachs
auszugleichen.
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Das feste noch feuchte Ammoniumsulfat 38 wird in cinem Kessel 8 auf
l'>0 bis 400°C indirekt erbitzt, wobei es schmilzt und Ammoniak abgibt. Zufuhr
von etwas Wasser oder Einleitung von überhitztem Wasserdampf erleichtert den Schmelzvorgang
und die Abtrennung des Ammoniads. Das NH3 kehrt bei 31 in die Rauchgaswäsche 5 und
4 zurück. Die Schmelze 30 besteht aus Hydrogensulfat, Pyrosulfat und Sulfat des
Ammoniums. Sie schließt den Kreislauf durch Wiederverwendung im Reaktionsbehälter
6.
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Abgesehen vom Reingasstaub und etwaigen Halogeniden des Calciums,
die wegen der geringen enge kein zusätzliches Umweltproblem darstellen, produziert
das Verfahren keine Abfälle.
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L e e r s e i t e