DE3240863C2 - Verfahren zur Wiedergewinnung von Wärme aus einem Schmelztropfen enthaltenden Gas - Google Patents

Verfahren zur Wiedergewinnung von Wärme aus einem Schmelztropfen enthaltenden Gas

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Abstract

Verfahren zur Wiedergewinnung von Wärme aus Schmelztropfen enthaltendem Gas, indem es mit den Heizflächen eines Wärmeübertragers in Berührung gebracht wird, bei dem die Gastemperatur vor dem Wärmeübertrager unterhalb des eutektischen Temperaturbereichs der Schmelztropfen gesenkt wird, indem dem Gas im Wärmeübertrager abgekühlte, vom Gas getrennte, zirkulierte und eventuell auch andere Feststoffpartikeln, z.B. Sand, zugegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Prozeßindustrie erzeugt große Mengen von Heißgasen, bei denen die Wiedergewinnung von Wärme durch die in den Gasen enthaltenen, die Heizflächen von Wärmetauschern stark verschmutzenden verdampften oder flüssigen Komponenten wesentlich erschwert wird. Ein typisches Beispiel sind die Abgase der pyrometallurgischen Industrie. Die Reinhaltung von Heizflächen ist mit den derzeit angewandten Methoden oft ein großes Problem. Die Reinigungszeiten verringern die Betriebsbereitschaft der Anlagen und haben dadurch große Kosten zur Folge.
Erfahrungsgemäß sind die Reinigungsprobleme in einem dem jeweiligen Prozeß eigentümlichen Temperaturbereich am größten, in welchem ein Teil der festen Verbindungen eutektisch schmilzt. Bei nicht-eisenmetallurgischen (non-ferrous) Schmelzprozessen z, B, bilden Zn, As und Pb mit dem Staub Eutektika, und es genügen oft geringe Zs-, As- und Pb-Gehalte, um den gesamten Staub eutektich schmelzen oder anschmelzen zu lassen. Der eutektisch geschmolzene oder angeschmolzene Staub setzt sich an den Heizflächen an und bildet, insbesondere wenn er kristallisiert, eine Ablagerungsschicht, deren Beseitigung mit den bekannten Reinigungsverfahren (pneumatischen oder mechanischen
1. Durch die gelenkte Erosionswirkung werden die Heizflächen reingehalten.
2. Das Vermischen hat einen schnellen Temperaturabfall zur Folge.
3. Es wird ein sog. Trockenwäsche-Iiffekt erzielt, weil die zirkulierenden Feststoffpartikel die in der Dampfphase auf ihrer Oberfläche angesetzten Verbindungen kondensieren.
4. Schwefelemissionen können z. B. durch Umlaufmaterial auf Ca-Basis herabgesetzt werden.
5. Strahlungs- und Konvektionswärrneübergang werden wirksamer.
Das Verfahren weist folgende Funktionsbereichc auf:
Gasgeschwindigkeit
Partikelgehalt des Gases
Gaseintrittstemperatur
Gasaustrittstemperatur
Mittlerer Durchschnitt der
Partikel
3-20 m/s
10-500 g/mol
300-1500° C
500-12000C
100-2000 μπι
Eine im Hinblick auf die Steuerbarkeit des Verfahrens wichtige Ausgestaltung ist Gegenstand des Anspruchs 2.
Die weiteren Unteransprüche betreffen geeignete Verfahrensparameter bei speziellen, die Gase produzierenden Prozessen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an zwei Beispielen näher erläutert, wobei die Zeichnung schcmatisch eine Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Wärmewiedergi:winnungsvcrfahrens geeigneten Vorrichtung zeigt.
Das heiße, verdampfte und flüssige Komponenten
enthaltende Gas durchströmt einen mit Strahlungsflächen bestückten Kanal 1. Die Gastemperatur ist bei der Annäherung an den Wärmeübertrager 2 nahe der oberen Grenze des eutektischen Bereichs, so daß die mitgeführten Partikel zumindest teilweise geschmolzen sind oder aber beim Auftreffen auf die Ablagerungen an den Heizflächen und der Reaktion mit diesen zu schmelzen beginnen würden.
Die Temperatur nach dem Wärmeübertrager wird ausreichend unterhalb des eutektischen Temperaturbereichs gewählt, so daß der· im Gas enthaltene Staub pulverförmig ist Der für die Reinhaltung der Heizflächen erforderliche Reinigungseffekt wird erreicht, indem in den Gasstrom vor dem Wärmeübertrager 2 so viel von diesem abgekühlten und pulverförmigen, reinigenden Staub wiedereingespeist wird, daß er durch Vermischen in dem Raumbereich 3 mit dem in den Wärmeübertrager 2 hineinströmenden, eine höhere Temperatur aufweisenden und Schmelztropfen enthaltenden Gas die Temperatur des Gemisches unter die Grenze des eutektischen Bereichs senkt
Nach dem in dem Raumbereich 3 erfolgten Vermischen und dementsprechenden Temperaturabfall strömt die genügend schleifende Partikel enthaltende Suspension durch den Wärmeübertrager 2, wobei sie durch die Erosion eine Zunahme der Ablagerungen auf den Heizflächen verhindert.
Hinter dem Wärmeübertrager 2 ist die Suspension deutlich unter den eutektischen Bereich abgekühlt Sie wird tangential durch einen Kanal 4 einem Durchströmungszyklon 5 zugeführt, den die dann nahezu staubfreien Gase über ein Mittelrohr 6 verlassen, während die abgeschiedenen Feststoffpartikel über ein Rückführrohr 7 in den Gasstrom in den Raumbereich 3 des Kanals 1 vor dem Wärmeübertrager 2 zurückgeführt werden. In dem Rückführrohr 7 wird für die zirkulierenden Feststoffpartikel eine Anzapfung 8 vorgesehen, mittels deren sich Feststoffstrom und Erosionswirkung steuern lassen. Als Umlaufmaterial kann bevorzugt prozeßeigener Feststoff oder ein anderes billiges Material, wie z. B. Sand, verwendet werden, das über ein Rohr 9 der Anlage aufgegeben wird.
Beispiel i
Abgaswerte einer Cu-Schmelzerei:
Gasstrom 1740mo!/s
Staubgehalt 2,7 g/mol
Temperatur 14000C
al kann auf Schmelzanlagen Anreicherangsgut, Sand oder deren Gemisch verwendet werden. Zusätzlich werden im Kühlkreislauf in den Abgasen enthaltene Partikel umgewälzt
Beispiel 2
Der Schwarzlauge-Strom eines Sodakessels beträgt 5,6 kg/s und dessen Trockenstoffgehalt 0,60. Im folgenden eine typische Analyse der Trockenstoffe:
C 35,5% (von der Masse)
Na 20,8%
S 5,2%
O 35,1%
H 3,4%
Wird die Verbrennung in einem Sodakessel vorgenommen, führen die Rauchgase ca. 30% des aufgegebenen Schwefels und 10% des aufgegebenen Natriums aus der Brennkammer teilweise als gasförmige Verbindungen und teilweise als winzige Schmeiztropfen mit Vollzieht sich die Verbrennung in einer getrennten Brennkammer, können die Rauchgase nach der Verbrennungszone sogar 50% des Schwefels und 30% des Natriums einhalten. Beim Abkühlen der Rauchgase bilden die anorganischen Chemikalien in erster Linie Natriumsulfat Natriumkarbonat und Schwefeldioxid. Je nach Zusammensetzung der Lauge und Betriebsverhältnissen kann dies in einigen Fällen die Bildung einer problematischen Natriumpyrosulfat-Ablagerung auf den Heizflächen zur Folge haben.
Im Falle der obengenannten, getrennten Brennkammer sind die Abgaswerte wie folgt:
45
50
Die Abgase werden durch Strahlungskühlung im Kanal 1 auf ca. 900°C abgekühlt, womit ein hinsichtlich der Verschmutzung von Heizflächen schwieriger Bereich erreicht wird. Die Temperaturkapazität des Staubhaitigen Abgases beträgt ca. 1,7 kj (Nm30C) = 38 J/ (mol"C), mit anderen Worten: der Wärmekapazitätsstrom beläuft sich auf 66,1 kW/°C. Die Temperatur vor den Heizflächen des Wärmeübertragers 2 beträgt 700°C und danach 550°C. Der zirkulierende Wärmekapazitätsstrom ist hiermit 88,1 kW/oC Die spezifische Wärmekapazität des Umlaufmaterials beträgt ca. 0,8 kj (kg'C), woraus sich für den umlaufenden Massenstrom der Wert 110 kg/s ergibt, d. h. daß nach der Beimischung ein Fcststoffgehalt des Gases von 63 g/mol (= 2,81 kg/ Nm') erreicht wird. In der Praxis hat man bei Reaktoren mit zirkulierender Wirbe'schicht Feststoffgehalte zwischen 900 und 1400 g/mol eingesetzt. Als Umlaufmateri-
Gasstrom 840 mol/s
Na-Strom 4,56 mol/s
S-Strom 2,75 mol/s
Temperatur 900° C
Staub (kond.) 0,23 g/mol
(103g/Nm3)
Wärmekapazitätsstrom des
Gases 29,4kW/°C
Gastemperaturen:
vor dem Wärmeübertrager 2 870° C
nach dem Beimischen 700° C
nach dem Wärmeübertrager 2 550° C
Umlaufender
Wärmekapazitätsstrom 33,0kW/°C
Umlaufender Massenttrom
(0,8 kJ/kg°C) 41,7 kg/s
Staubgehalt des Gases
im Wäi ineübertrager 2 50 g/mol
Der Umlaufstrom Desteht aus dem auf Na2CQs basierenden Staub der Rauchgase sowie aus den in dem Raumbereich 3 zugegebenen Na2CCv3 bzw. Na2SO*
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wiedergewinnung von Wärme aus einem Schmelztropfen enthaltenden Gas, bei dem es mit den Heizflächen eines Wärmeübertragers in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastemperatur vor dem Wärmeübertrager (2) unterhalb der eutektischen Temperatur der Schmelztropfen gesenkt wird, indem dem mit den Schmelztropfen beladenen Gas vor dem Wärmeübertrager (2) ein Umlaufstrom aus von dem Gas nach Verlassen des Wärmeübertragers (2) abgetrennten Feststoffpartikeln beigemischt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoffpartikel das aus den Schmelztropfen erstarrte Material verwendet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas vor dem Wärmeübertrager (2) zusätzlich noch weitere Feststoffpartikei beigemischt werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Abgases einer Cu-Schmelzerei vor dem Wärmeübertrager (2) auf ca. 7000C gesenkt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Feststoffpartikel Sand verwendet wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gases, das die Brennkammer eir~.s Sodakessels verläßt, vor dem Wärmeübertrager (2) auf ca. 7000C gesenkt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Feststoffpartikel Natriumsulfat und/oder Natriumkarbonat verwendet werden.
Reinigungsverfahren) in einigen Fällen eine unlösbare Aufgabe darstellt Nicht einmal mit wirkungsvollen pneumatischen oder mechanischen Reinigungsvorrichtungen konnten die Ablagerungen merklich beeinflußt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art so auszugestalten, daß die Ablagerungen vermindert werden.
ίο Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst
Felduntersuchungen haben gezeigt, daß die besten durchgehenden Betriebsdauern mit Dampfkesseln erreicht wurden, in denen — durch den Charakter des Prozesses bestimmt — eine natürliche Erosion der Ablagerungen beobachtet wurde. Die Erosion hat die der Strömungsrichtung parallelen Heizflächen verhältnismäßig rein gehalten.
Auf diesen Beobachtungen beruht der Grundgedanke der Erfindung, gelenkte Erosion bei der Reinigung von Heizflächen auszunützen, die sich andernfalls nur schwer sauberhalten lassen. Die Bereitstellung der erodierenden Partikel geschieht durch die Beimischung des Umlaufstroms aus den den Wärmetauscher verlassenden und entsprechend abgekühlten Feststoffpartikeln, die das Gas und die darin mitgeführten Schmelztropfen unter die eutektische Temperatur abkühlen, so daß eine Erstarrung eintritt und eine Erosionswirkung auf etwa
schon vorhandene Ablagerungen an den Heizflächen und jedenfalls kein Ansetzen an diesen eintreten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden folgende Vorteile erreicht:
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