DE3540206A1 - Verfahren zur durchfuehrung von hochtemperaturreaktionen - Google Patents
Verfahren zur durchfuehrung von hochtemperaturreaktionenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von
Hochtemperaturreaktionen zwischen Heißgas und zuvor aufge
heizten Feststoffen, die bei der Hochtemperaturbehandlung
ihre Rieselfähigkeit verlieren, in einer im wesentlichen
senkrechten Förderstrecke mit anschließender Kühlung und
Abscheidung vom Gas.
Bei Hochtemperaturreaktionen werden Feststoffe auf Tempe
raturen erhitzt, die oberhalb der Temperatur liegen, bei
der diese Feststoffe ihre Riesel- oder Fließfähigkeit ver
lieren. Die Einzelpartikeln neigen dazu, miteinander zu
verkleben, aneinander zu haften und/oder an der Reaktor
innenwand bzw. in Rohrleitungen Ansätze zu bilden.
Ursachen für den Verlust der Riesel- oder Fließfähigkeit
können die Reaktionsabläufe der Feststoffe mit der Gas
phase oder mit andersartigen Bestandteilen sein. Die
vorstehend angesprochenen Probleme können beim Brennen
bzw. Sintern von z.B. Tonerde, Kalk, Dolomit, Magnesit und
Zementrohmehl auftreten.
Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt,
mit denen das Ziel verfolgt wird, die prozeßtechnisch
bedingten Schwierigkeiten zu lösen.
So sieht z.B. das Verfahren gemäß DE-AS 23 50 768 u.a.
vor, das in einer ersten Zone vorerhitzte Gut in eine
zweite Zone durch Passieren einer Flamme auf Endtemperatur
zu erhitzen, wobei in die zweite Zone ein die Flamme
umgebender Luftstrom eingeführt wird, der die Wandung des
Flammenraumes vor Ansatzbildung schützen soll. Diese
Maßnahme hat insbesondere den Nachteil, daß durch die
nicht zu verhindernde Mischung des in die zweite Zone
eingeführten Luftstromes mit der zunächst auf ausreichend
hohe Temperaturen erhitzte Gas/Feststoff-Suspension eine
Abkühlung erfolgt, bevor die Hochtemperaturreaktion
abgeschlossen ist. Das heißt es ist nicht gewährleistet,
daß die für die Reaktion erforderliche Verweilzeit bei der
hohen Temperatur tatsächlich zur Verfügung steht.
Bei Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von
feinkörnigem Gut gemäß DE-PS 28 46 584 mit Vorwärmzone,
Kalzinierzone, als Suspensionsreaktionszone ausgebildete
Sinterzone und Kühlzone wird zumindest ein Teil des weit
gehend kalzinierten Gutes vor Eintritt in die Sinterzone
einer gesonderten Wärmebehandlung zur Verflüchtigung der
schmelzphasenbildenden Bestandteile unterworfen. Dieser
Stand der Technik ist naturgemäß nur auf solche Fälle
anwendbar, bei denen der Erhalt der Rieselfähigkeit durch
Verflüchtigung schmelzphasenbildender Bestandteile erziel
bar ist. In den anderen Fällen läßt sich hierdurch nicht
vermeiden, daß bei der Sinterung in der Suspensionsreak
tionszone infolge von Umlenkung der Gas/Feststoff-Suspen
sion Ansatzbildungen entstehen können. Nachteilig ist
zudem eine zusätzliche Reaktionszone.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Durchführung
von Hochtemperaturreaktionen zwischen Heißgas und zuvor
aufgeheizten Feststoffen bereitzustellen, daß die bekann
ten, insbesondere vorgenannten Nachteile nicht aufweist,
eine einwandfreie Verfahrensführung gestattet und zudem
universell einsetzbar sowie einfach durchführbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs
genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestal
tet wird, daß man die aufgeheizten Feststoffe von unten
und in Förderrichtung durch eine im unteren Bereich der
Förderstrecke 17 befindliche Brennerflamme einträgt, eine
hinreichend lange Reaktionszone durchlaufen läßt und nach
Abschluß der Reaktion bei unveränderter Strömungsrichtung
durch in Strömungsrichtung nachgeschaltete separate Zugabe
von Kühlmittel mindestens auf die Temperatur, bei der
Rieselfähigkeit erlangt wird, kühlt.
Durch den Eintrag des Feststoffes von unten und in Förder
richtung sowie durch die nachgeschaltete separate Zugabe
von Kühlmittel bei unveränderter Strömungsrichtung durch
läuft die Gas/Feststoff-Suspension die kritische Reak
tionsphase zwischen Aufheizen auf Hochtemperatur und Ab
kühlung auf eine Temperatur die eine problemlose Handha
bung der Gas/Feststoff-Suspension erlaubt, ohne Umlenkung
und damit ohne die Möglichkeit einer Ansatzbildung. Durch
die nachgeschaltete separate Kühlmittelzugabe läßt sich
die den jeweiligen Erfordernissen gerecht werdende Ver
weildauer bei der erforderlichen Hochtemperatur exakt
einstellen.
Die in der Förderstrecke einzustellende mittlere Gasge
schwindigkeit ist derart zu bemessen, daß hohe Relativ
geschwindigkeiten zwischen Feststoff und Wand auftreten.
Üblicherweise liegt die mittlere Gasgeschwindigkeit im
Bereich von 2 und 10 m/sec (angegeben als Leerrohrge
schwindigkeit).
Der Eintritt des vorgewärmten Feststoffes in die Förder
strecke geschieht zweckmäßigerweise in Form einer Gas/
Feststoff-Suspension durch das Zentrum eines ringförmigen
Brenners, der z.B. mit Gas als Brennstoff betrieben wird.
Diese Art der Feststoffzuführung gewährleistet eine prak
tisch augenblickliche Aufheizung auf die erwünschte Tempe
ratur. Sie liegt je nach Einsatzmaterial und angestrebtem
Ergebnis etwa im Bereich von 1300 bis 1700°C, vorzugs
weise zwischen 1400 und 1500°C.
Die Länge der Förderstrecke bemißt sich nach der erforder
lichen vom Reaktionstyp abhängigen Verweildauer. In der
Regel sind wenige Sekunden ausreichend, so daß die Länge
der Förderstrecke max. 20 m, im allgemeinen 5 bis 15 m,
betragen dürfte.
Die nach Beendigung der Hochtemperaturreaktion erforder
liche Kühlung kann mit gasförmigen, flüssigen oder festen
Kühlmitteln erfolgen. Ihr Eintrag sollte in der Weise
geschehen, daß eine schnelle Verwirbelung mit der Gas/
Feststoff-Suspension erfolgt und ein In-Kontakt-Kommen mit
der Wand der Förderstrecke vermieden wird. Besonders
zweckmäßig ist ein Eintrag in tangentialer Richtung mit
hoher Geschwindigkeit senkrecht zur oder unter einem Win
kel bis zu 60° gegen die oder mit der Strömungsrichtung.
Im Anschluß an die Kühlung unter die kritische Temperatur
erfolgt die Gas/Feststoff-Trennung auf konventionelle
Weise, z.B. in einem Zyklonabscheider.
Die Aufheizung der der Hochtemperaturreaktion zu unterwer
fenden Feststoffe kann auf jede beliebige Weise erfolgen.
Besonders vorteilhaft geschieht die Aufheizung, die im
allgemeinen auch mit einer chemischen Reaktion verbunden
ist, in einer sogenannten zirkulierenden Wirbelschicht.
Die zirkulierende Wirbelschicht zeichnet sich dadurch aus,
daß - im Unterschied zur "klassischen" Wirbelschicht, bei
der eine dichte Phase durch einen deutlichen Dichtesprung
von dem darüber befindlichen Gasraum getrennt ist -
Verteilungszustände ohne definierte Grenzschicht vorlie
gen. Ein Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber
befindlichem Staubraum ist nicht existent, jedoch nimmt
innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von
unten nach oben ständig ab. Wegen Einzelheiten zum Betrieb
von zirkulierenden Wirbelschichten wird auf L. Reh et al
"Wirbelschichtprozesse für die Chemie und Hüttenindustrie,
die Energieumwandlung und den Umweltschutz", Chem. Ing.
Techn. 55 (1983), Nr. 2, Seiten 87-93 sowie die DE-PS 17
67 628 bzw. die US-PS 35 79 616 verwiesen.
Der Vorteil der zirkulierenden Wirbelschicht liegt in der
hohen Durchsatzleistung pro Reaktorfläche sowie in der
Möglichkeit, die Verweilzeit des aufzuheizenden Feststof
fes so hoch einstellen zu können, daß die mit der Aufhei
zung verbundene chemische Reaktion praktisch abgeschlossen
ist. Innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann
nur die eigentliche Hochtemperaturreaktion vorzunehmen,
d.h. es finden praktisch keine Umsetzungen statt, die auch
auf niedrigerem Temperaturniveau durchführbar sind.
Nach der Abscheidung der aus der Förderstrecke austreten
den Feststoffe erfolgt üblicherweise eine weitergehende
Kühlung. Hierzu können herkömmliche Kühler, insbesondere
aber Wirbelschichtkühler dienen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
die erfindungsgemäße Hochtemperaturbehandlung derart in
den Gesamtprozeß mit Feststoffaufheizung und abschließen
der Kühlung zu integrieren, daß die einzelnen Gasströme
wechselseitig Verwendung finden können. Beispielsweise
kann im Kühler sauerstoffhaltiges Gas vorgewärmt werden,
das dann in die Stufe der Aufheizung und/oder der Hochtem
peraturbehandlung eingetragen wird. Weiterhin kann das
Abgas der Förderstrecke in die Zone der Aufheizung einge
tragen werden.
Eine optimale Führung des Gesamtverfahrens besteht darin,
die Aufheizung des Aufgabegutes in einer zirkulierenden
Wirbelschicht, die ihrerseits mit den Abgasen betriebene
Vorwärmer aufweist, und die abschließende Kühlung in einem
Wirbelschichtkühler mit mehreren nacheinander durchflos
senenen Kühlkammern vorzunehmen. Die Kühlung des Feststof
fes kann direkt und/oder indirekt mit sauerstoffhaltigen
Gasen, die dann der Förderstrecke als Fördergas und/oder
der zirkulierenden Wirbelschicht als Fluidisierungsgas
zugeleitet werden, geschehen. Die im Wirbelschichtkühler
verwendeten Fluidisierungsgase können schließlich der
Förderstrecke als Kühlmedium, die Abgase der Förderstrecke
der zirkulierenden Wirbelschicht als Sekundärgas dienen.
Die Erfindung wird anhand der Figur und des Beispiels
näher und beispielsweise erläutert.
Die Figur stellt ein Fließschema einer Verbundschaltung
der vorgenannten Art dar.
Das zu behandelnde Material wird über eine Dosiervorrich
tung 1 einem gasseitig letzten Venturiaustauscher 2 aufge
geben, durch die fühlbare Wärme des Abgases erwärmt und im
Zyklonabscheider 3 vom Gas abgetrennt. Es gelangt dann
über eine Fördereinrichtung 4 zu einem weiteren Vorwärm
system, das aus Venturiaustauscher 5 mit zugehörigem
Zyklonabscheider 6 und aus Venturiaustauscher 7 mit
Zyklonabscheider 8 besteht. Mittels einer Bypass-Leitung 9
kann geförderter Feststoff unter Umgehung einer Vorwärm
stufe direkt dem Venturiaustauscher 7 zugeführt werden.
Vom Zyklonabscheider 8 wird der Feststoff in ein aus
Wirbelschichtreaktor 10, Rückführzyklon 11 und Rückführ
leitung 12 bestehendes Zirkulationssystem eingetragen. Der
Wirbelschichtreaktor 10 wird über Leitung 13 mit Brenn
stoff, über Leitung 14 mit Fluidisierungsgas und über
Leitung 15 mit Sekundärgas versorgt.
Nach ausreichend langer Verweilzeit gelangt das aufge
heizte Material über Leitung 16 zum unteren Bereich der
Förderstrecke 17 und wird von unten in die aus Brennstoff
(Leitung 18) und sauerstoffhaltigem Gas (Leitung 19)
erzeugte Brennerflamme eingetragen. Während der Aufwärts
bewegung der Gas/Feststoff-Suspension im unteren Teil der
Förderstrecke 17 erfolgt die Hochtemperaturreaktion, nach
deren Abschluß eine Abkühlung durch über Leitung 20 zuge
führte Gase erfolgt. Nach hinreichender Kühlung bei unver
änderter Strömungsrichtung wird die Gas/Feststoff-Suspen
sion über Leitung 21 ausgetragen und im Zyklonabschei
der 22 getrennt. Der Feststoff gelangt in den Wirbel
schichtkühler 23, das Gas über die Leitung 15 als Sekun
därgas in den Wirbelschichtreaktor 10.
Der Wirbelschichtkühler 23 ist in mehrere vom Feststoff
nacheinander durchflossene Kühlkammern aufgeteilt und
weist insgesamt drei Kühlabschnitte auf. Im - im Fest
stofffluss gesehen - ersten heißesten Abschnitt wird
sauerstoffhaltiges Gas aufgeheizt, das dann über Leitung
19 der Förderstrecke 17 zugeführt wird. Im zweiten
Abschnitt wird die Aufheizung des dem Wirbelschicht
reaktor 10 über Leitung 14 zuzuführenden sauerstoffhal
tigen Gases vorgenommen. Im dritten Kühlabschnitt erfolgt
die Schlußkühlung des Feststoffes mittels Kühlwasser, das
über Leitungen 24 und 25 zu- bzw. abgeführt wird. Das
gekühlte Produkt wird über Vorrichtung 26 ausgetragen. Die
im Wirbelschichtkühler 23 eingesetzten Fluidisierungsgas
ströme werden gesammelt und über Leitung 20 der Förder
strecke 17 als Kühlmedium zugeleitet.
Es soll filterfeuchtes Aluminiumhydroxid in hochgebranntes
Aluminiumoxid überführt werden.
Aluminiumhydroxid mit einer Feuchte von 12 Gew.% und einer
Temperatur von 60°C wird in einer Menge von 8,69 t/h über
die Dosiervorrichtung 1 dem Venturiaustauscher 2 zuge
führt. Durch Wärmeaustausch mit den vom Zyklonabscheider 6
herangeführten Gasen von 390°C erfolgt eine Erwärmung des
Aluminiumhydroxids auf 160°C und eine Abkühlung des Gases
auf etwa die gleiche Temperatur.
Mittels der Fördervorrichtung 4 wird das vorgewärmte
Aluminiumhydroxid im Venturiaustauscher 5 mit den 510°C
heißen Abgasen des Zyklonabscheiders 8 in Kontakt ge
bracht. Hierbei erfolgt eine Aufheizung des Feststoffes
bzw. eine Abkühlung des Gases auf ca. 390°C. Nach erfolg
ter Gas/Feststoff-Trennung im Zyklonabscheider 6 gelangt
der Feststoff in den Venturiaustauscher 7, der mit den
Abgasen von 1150°C der zirkulierenden Wirbelschicht
beaufschlagt wird. Infolge der innigen Vermischung ent
steht eine Gas/Feststoff-Suspension mit einer Temperatur
von 510°C. Nach erneuter Gas/Feststoff-Trennung im Zyklon
abscheider 8 gelangt der Feststoff in die zirkulierende
Wirbelschicht.
Der Wirbelschichtreaktor 10 der zirkulierenden Wirbel
schicht wird über Leitung 14 mit 2.000 Nm3/h Fluidisie
rungsluft von 580°C (aus dem zweiten Abschnitt des Wirbel
schichtkühlers 23 stammend), über Leitung 15 mit
4800 Nm3/h Sekundärluft von 1020°C (aus dem Zyklonab
scheider 22 stammend) und über Leitung 13 mit 390 Nm3/h
Erdgas versorgt. Dadurch stellt sich eine Temperatur von
1150°C ein, die über das gesamte aus Wirbelschicht
reaktor 10, Rückführzyklon 11 und Rückführleitung 12
gebildete Zirkulationssystem praktisch konstant ist.
Nach einer mittleren Verweilzeit von etwa 20 min., während
der das Aluminiumoxid vollständig kalziniert ist, wird
kontinuierlich ein der Aufgabemenge entsprechender Fest
stoffstrom über Leitung 16 der Förderstrecke 17 zugeleitet
und durch die Brennerflamme bzw. die Brennerabgase auf
1400°C erhitzt. Der Brenner wird mit 110 Nm3/h Erdgas
und 1200 Nm3/h Luft von 650°C (aus dem ersten Abschnitt
des Wirbelschichtkühlers 23 stammend) gespeist.
Nach ca. 4 sec ist die Hochtemperaturreaktion abgeschlos
sen. Durch Eintrag von 3500 Nm3/h Luft einer Temperatur
von 470°C (aus dem Wirbelschichtkühler 23 stammend) wird
die Gas/Feststoff-Suspension gekühlt. Hierdurch tritt eine
Abkühlung der Suspension auf eine Temperatur von 1020°C
ein, bei der ausreichende Rieselfähigkeit des Feststoffes
gewährleistet ist. Die Gas/Feststoff-Suspension wird
anschließend im Zyklonabscheider 22 getrennt, das Gas
(4800 Nm3/h) dem Wirbelschichtreaktor 10 als Sekundär
gas, der Feststoff dem Wirbelschichtkühler 23 zugeleitet.
Im Wirbelschichtkühler 23 wird der Feststoff in mehreren
Abschnitten auf Endtemperatur von 80°C gekühlt. Hierzu
dienen im - in Fließrichtung des Feststoffes gesehen -
ersten Abschnitt 1200 Nm3/h Luft, die auf 650°C
aufgeheizt wird, im zweiten Abschnitt 2000 Nm3/h Luft,
die auf 580°C aufgeheizt und im dritten Abschnitt
20 m3/h Wasser, das von 35°C auf 65°C aufgewärmt wird.
Die Gasströme werden - wie vorstehend erwähnt - in den
Prozeß zurückgeführt. Die Produktion beträgt 5 t/h
Aluminiumoxid mit einer BET-Oberfläche von 3 m2/g.
Claims (6)
1. Verfahren zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen
zwischen Heißgas und zuvor aufgeheizten Feststoffen,
die bei der Hochtemperaturbehandlung ihre Rieselfähig
keit verlieren, in einer im wesentlichen senkrechten
Förderstrecke mit anschließender Kühlung und Abschei
dung vom Gas, dadurch gekennzeichnet, daß man die auf
geheizten Feststoffe von unten und in Förderrichtung
durch eine im unteren Bereich der Förderstrecke (17)
befindliche Brennerflamme einträgt, eine hinreichend
lange Reaktionszone durchlaufen läßt und nach Abschluß
der Reaktion bei unveränderter Strömungsrichtung durch
in Strömungsrichtung nachgeschaltete separate Zugabe
von Kühlmittel mindestens auf die Temperatur, bei der
Rieselfähigkeit erlangt wird, kühlt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man die Feststoffe in einer durch sauerstoffhaltiges
Fluidisierungsgas und sauerstoffhaltiges Sekundärgas
betriebenen zirkulierenden Wirbelschicht (10, 11, 12)
aufheizt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß man die Feststoffe unter Verwendung der Abgase
der Förderstrecke (17) aufheizt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß man die vom Gas abgeschiedenen Feststoffe
in einem Wirbelschichtkühler (23) kühlt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Feststoffe durch
Wärmeaustausch mit sauerstoffhaltigen Gasen kühlt, die
nach ihrer Aufheizung in der Stufe der Feststoffauf
heizung (10, 11, 12) und/oder der Hochtemperaturreak
tion (17) eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Aufheizung des
Feststoffes in der zirkulierenden Wirbelschicht
(10, 11, 12) als Fluidisierungsgas (14) im Wirbelschicht
kühler (23) indirekt aufgeheiztes sauerstoffhaltiges
Gas und als sauerstoffhaltiges Sekundärgas (15) Abgas
der Förderstrecke (17) einsetzt.
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