DE3879706T2

DE3879706T2 - Vorrichtng und verfahren zur behandlung von verfahrensgasen.

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Publication number: DE3879706T2
Application number: DE8888903850T
Authority: DE
Inventors: Pekka Ritakallio
Original assignee: Ahlstrom Corp
Current assignee: Amec Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2008-04-21
Also published as: JPH02501451A; ATE87228T1; PT87412B; EP0368861A1; AU608611B2; FI82612B; RU2068730C1; KR890701197A; EP0368861B1; PT87412A; US5032143A; CN88102617A; NO890070L; FI872053A; CN1013641B; NO170395C; JPH0642942B2; CA1324090C; FI872053A0; DE3879706D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Prozeßgasen durch Abkühlung des Prozeßgases in der Anwesenheit von Feststoffpartikeln, jeweils gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.
Verschiedene Hochtemperatur-Prozesse wie etwa das Schmelzen von Erzen oder Metallkonzentraten und Schmelz-, Reduktions- und Rauch-Prozesse von metallurgischen Schlacken, Calcinierung von Zementen, Hochtemperatur-Prozesse der chemischen Industrie, usw. erzeugen Hochtemperaturgase, wobei die darin enthaltenen Komponenten dazu tendieren, sich an den Heizflächen festzusetzen und somit die Wärmerückgewinnung aus den Gasen sowie auch deren Abkühlung zu erschweren. Klebrige Verbindungen können auch in gewöhnlichen Vergasungprozeßen entstehen. Solche Heizflächen verschmutzende Verbindungen sind z.B.
- im Prozeß verdampfende und beim Abkühlen kondensierende oder sublimierende Verbindungen,
- beim Abkühlen erstarrende Schmelztropfen,
- zur Sinterung geneigte Partikeln,
- Rauchgase oder Aerosole, gekennzeichnet durch eine sehr kleine Partikelgröße, in der Regel unter 1 um, und die Tendenz, sich an anderen Rauchgaspartikeln und den begegneten Oberflächen festzusetzen,
- als Folge von chemischen oder anderen Reaktionen entstehende schmelzflüssige oder feste Verbindungen.
Je nach dem Fall kann ein Prozeßgas eine oder mehrere der obigen Komponenten enthalten. Deren gemeinsames Merkmal besteht in der Neigung, sich an den Heizflächen des Wärmetauschers oder des Kessels festzusetzen, wenn sie vom
Gas durchflossen werden. In Folge dessen wird der Wärmetauscher stufenweise verstopft und seine Leistung reduziert, was im allgemeinen zum Abschalten des Prozesses führt.
Die nachteiligen Wirkungen der Verschmutzung können in vielen Fällen durch verschiedene Blasfegevorrichtungen oder mechanische Fegevorrichtungen wie etwa Schüttler oder Blashammer verringert werden. Ein Nachteil bei Blasfegevorrichtungen besteht im Verbrauch von Hochdruckdampf sowie der Auswirkung des Fegegases auf die Zusammensetzung des zu behandelnden Gases. Bei z.B. reduzierenden Gasen kann in der Regel Luft nicht verwendet werden.
Schüttler und Blashammer haben sich unter verschiedenen Verhältnissen als wirksame Fegevorrichtungen erwiesen. Ihr Nachteil besteht in den durch sie bedingten Einschränkungen an die Kesselkonstruktion. Außerdem sind Schüttler bei den Einsatzverhältnissen von Überhitzern unwirksam.
Erfahrungsgemäß ist das Verschmutzungsproblem normalerweise am größten in einem bestimmten, für den jeweiligen Prozeß typischen Temperaturbereich, wo die Sinterungsneigung des "Staubes" am größten ist. Die Ursachen für solch einen Temperaturbereich werden im folgenden detaillierter beschrieben.
Folgende, sich unter anderem auf die Sinterung auswirkende Faktoren sind aus der Pulvermetallurgie und der Verbrennungstechnik für Keramik bekannt:
- Partikelgröße des Pulvers; je feiner die Partikeln, desto niedriger die Temperatur der beginnenden Sinterung,
- wenn in einem Mehrkomponentensystem ein Gemish von Verbindungen eine eutektische Temperatur erreicht, entsteht in dem System Schmelze, welche Schmelze die Poren zwischen den Partikeln füllt, was hochwirksame Sinterung sogar in einem sehr schmalen Temperaturbereich verursacht.
Die im Prozeß verdampften Komponenten, wie Schwermetalle und Alkalien sind neigen dazu, in einem bestimmten, für sie typischen Temperatur zu kondensieren oder sublimieren. In Verbindung mit dem Abkühlen wird entweder Metallschmelze gebildet, die auf den Heizflächen oder den Staubpartikeln kondensiert, wobei diese klebriger werden, oder die verdampften Komponenten sublimieren direkt auf den Heizflächen. Phänomen dieser Art entstehen z.B. im Alkali-Bypaßsystem des Zementofens, weshalb Wärmerückgewinnung in diesem Zusammenhang im allgemeinen nicht erfolgreich ist. Entsprechende Phänomen kommen in Verbindung mit Vergasungsprozessen vor, wenn das Produktgas Alkalien und/oder Restteer enthält.
Beim Abkühlen bis nah an die Erstarrungstemperatur setzen sich die Schmelztropfen im Prozeßgas entweder leicht an existierenden Prozeßpartikeln fest, was zum Festsetzen des Staubes an den Heizflächen beiträgt, oder sie erstarren direkt an den Heizflächen und sintern darauf.
Bei Rauchgas-Operationen werden aus geschmolzener Schlacke Metalle absichtlich zwecks Rückgewinnung verdampft. Zum Beispiel Zn, Pb und Sn werden nach der Verdampfung durch Veränderung des Sauerstoffpotentials, d.h. durch Nachverbrennung von der Gasphase getrennt. Dabei werden besonders feine Partikeln und Tropfen im Rauchgas gebildet. Die Partikelgröße eines Rauchgases dieser Art liegt typischerweise im Bereich von 0,1 bis 1 um oder sogar darunter. Das Rauchgas wird durch eine besonders große Oberflächenaktivität und die Neigung gekennzeichnet, sich an den Heizflächen festzusetzen, wobei der Kesselbetrieb beeinträchtigt wird. Deshalb wird ein Großteil von Rauchgas-Operationen noch immer ohne Wärmerückgewinnung ausgeführt.
Ein dem Rauchen sehr ähnliches und heute wohl bekanntes Phänomen kommt in den elektrischen Reduktionsprozessen von Ferrogemischen vor. Zum Beispiel bei der Reduktion von Ferrosilizium und Silizium im Elektroofen sublimiert Silizium in einem bestimmten Temperaturzone als Siliziummonoxid, was z.B. in der Haube eines offenen oder halbgeschlossenen Ofens zu Siliziumdioxid oxidiert und im Rauchgas SiO&sub2;-Rauch bildet. In Hinsicht auf den Kesselbetrieb hat sich SiO&sub2;-Rauch bei Temperaturen von über 500 ºC für äußerst schwierig erwiesen. In der Praxis erfolgt die Produktion von Silizium und Ferrosilizium noch immer nahezu gänzlich ohne Abhitzeverwertung.
Bei der Reduktion von Ferrogemischen und Silizium in einen geschlossenen Elektroofen werden variierende Mengen Siliziummonoxid- und Zink- sowie Alkalimetalldämpfe je nach den Verunreinigungen des Eingabeguts gebildet. Bei der Abkühlung eines solchen Gases, dessen Temperatur beim Verlassen des Prozesses sogar 1000 bis 1300 ºC betragen kann, oxidiert das Siliziummonoxide zu SiO&sub2;-Rauchgas, und die anderen obengenannten Dämpfe kondensieren entweder direkt auf den Heizflächen oder zunächst zu Rauch im Rauchgas. Anschließend setzt sich der Rauch an den Heizflächen fest, was ziemlich bald zu einer reduzierten Leistung und in der Regel auch Verstopfung des Wärmetauschers führt.
Ein Beispiel für durch Abkühlung verursachte chemische Reaktionen und für als Folge der Reaktionen entstehender Rauch ist das Schmelzen von Bleikonzentraten auf Sulfidbasis, welcher Prozeß SO&sub2;-haltiges Pb-PbO-reiches Rauchgas mit einer Temperatur von 1200 bis 1300 ºC erzeugt. Beim Abkühlen des Gases im Kessel beginnen das verdampfte Pb und PbO zu kondensieren und anderseits werden die chemischen Balancen derart verändert, daß Bleisulfat in einem Temperaturbereich von ca. 900 bis 500 ºC gebildet wird, welches Bleisulfat von der Gasphase als rauchartige Partikeln ausscheidet. Gleichzeitig wird eine erhebliche Menge Wärme durch die Kondensation und Reaktionswärme aus den Sulfatisierungsreaktionen freigesetzt. Die Bedingungen für die Sulfatisierung sind vorteilhaft beim Auftreffen des heißen Gasstroms auf Heizflächen mit wirksamer Abkühlung, und weil die Heizflächen gleichzeitig als Unterlage dienen, auf die das gebildete Bleisulfit ausgeschieden wird.
Durch die Sulfatisierungsreaktion begünstigte Sinterung von Partikelmaterial kommt in den meisten Schmelzprozessen von Sulfidkonzentraten vor, wobei Dämpfe, Rauch, Schmelztropfen oder Partikeln von z.B. Blei, Kupfer, Zink, Nickel und anderen Metallen und Oxiden gebildet werden, welche Dämpfe, Rauch, Schmelztropfen und Partikel beim Abkühlen des Gases sulfatisiert werden. Weil die Schmelztechnologie in zunehmendem Maße zur Verwendung von angereichertem oder reinem Sauerstoff übergegangen ist, steigen örtliche Temperaturspitzen im Prozeß wie auch die Konzentrationen von Schwefelodixen der Gase an, was eine Steigerung der relativen Bedeutung der Sulfatisierungsreaktion und folglich der Verschmutzungsprobleme ergibt. Ein anderes gleichzeitiges Phänomen hat in der Verwertung von immer komplexeren und unreineren Konzentratbeständen bestanden, was z.B. die Zink- und Bleigehalte von Kupferkonzentraten erhöht und den Anteil von verdampfenden und sulfatisierenden Komponenten in Prozeßgaspartikeln sowie Verschmutzprobleme der Heizflächen erheblich vermehrt hat.
Den Problemen der Sulfatisierung kann einigermaßen geholfen werden, indem zusätzliche Luft in die Strahlungskammer des Kessels eingeblasen wird. Dies trägt zu einer vollständigen Sulfatisierung bereits in der Strahlungskammer bei. Prozeßtechnisch ist dies jedoch nicht sehr vorteilhaft, weil das Partikelmaterial aus dem Kessel gewöhnlich zum Anfang des Prozesses zurückgeführt wird. In diesem Fall erhöht die Rückführung von Sulfat die Zirkulationsbelastung von Schwefel und den Energieverbrauch des Schmelzprozesses.
Das oben Angeführte gibt eine ziemlich klare Darstellung der Gründe für die Verschmutzung von Heizflächen. In diesem Zusammenhang gibt es jedoch keinen Anlaß für eine detailliertere Annäherungsweise.
Es sind mehrere Mittel zur Lösung der Verschmutzungsprobleme von Kesseln und Wärmetauschern vorgeschlagen worden. Im folgenden wird anhand von Beispielen eine ausführlichere Beschreibung solcher bekannter Lösungen gegeben, bei denen entweder Wirbelschichttechnik oder Lösungen mit für die Wirbelschichttechnik charakteristischen Merkmalen ausgenutzt wird.
Ein Verfahren und ein Apparat gemäß der Einleitung der Patentansprüche 1 und 11 sind aus EP-A-0 042 638 bekannt. Dieses Dokument zeigt einen Reaktor zur Entschwefelung von heißen Rauchgasen in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor. In diesem Reaktor findet keine Abkühlung der Rauchgase und der zirkulierenden Feststoffpartikeln statt. Der Großteil der im System rückgeführten Feststoffpartikeln wird nicht abgekühlt. Das Zirkulationssystem gemäß dieser bekannten Referenz sieht an erster Stelle Verhältnisse zur Rauchgasentschwefelung vor. Die Temperatur wird im Reaktor durch die Rückführung eines Teils des Feststoffes durch einen externen Wirbelschichtwärmetauscher geregelt. Dabei kann reines Rauchgas als Fluidisierungmittel im externen Wärmetauscher verwendet werden und kann daher dem Hauptreaktor als Transportmittel für den wiedereingeführten Feststoff zugeführt werden.
US-2,580,635 zeigt ein Verfahren zur Kondensation von in ein Gas verdampften sublimierenden Verbindungen als feine Partikel aus dem Gas. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das Gas durch ziemlich groben Feststoff (Korngröße ca. 0,7 mm) in einer vertikalen Kammer abgekühlt, wo das Gas aufwärts und die Feststoffpartikeln abwärts fließen. Die Feststoffpartikeln, deren Korngröße sorgfältig proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Gases gewählt werden soll, werden in einem getrennten System abgekühlt und dann dem oberen Ende des Systems zurückgeführt. Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich auf die Kondensation von sublimierenden Dämpfen in ein Rauchgas.
US-A-2,583,013 stellt ein Verfahren zur Kondensation von in ein Gas verdampften sublimierenden Verbindungen dar. Bei diesem Verfahren werden die Feststoffpartikeln in den Gasstrom vor dem Wärmetauscher eingegeben, wobei das Gas im Wärmetauscher in der Anwesenheit von Feststoffpartikeln abgekühlt wird, und die Sublimation auf der Oberfläche von im Gas suspendierten Feststoffpartikeln stattfindet. Die Feststoffpartikeln dienen als Kern für sumblimierendes Material. Sie vermindern die Rauchgasbildung, tragen zur Reinigung der Heizflächen bei und verbessern den Wärmeübergang. Ein tadelloser Betrieb setzt beim Wärmetauscher eine Suspensionsdichte von über 16 kg/m³ und eine Gasströmungsgeschwindigkeit von 0,9 bis 2,1 m/s voraus.
US-2,721,626 zeigt ein Verfahren zur Abkühlung von Feststoffpartikeln enthaltenden, Heizflächen verschmutzenden heissen Gasen, indem dem Gasstrom Feststoffpartikeln beigemischt werden, wobei die Partikeln erheblich (z.B. 10 bis 20 Mesh) größer sind als die im Gas vor dem Kühler vorhandenen Feststoffpartikeln, und indem das Gas-Feststoff-Gemisch mit einer hohen Geschwindigkeit (3 bis 23 m/s) durch den Kühler geleitet wird, wobei Menge und Meshzahl des groben Feststoffes derart eingestellt wird, daß die Abrasion zur Reinhaltung der Heizflächen ausreicht. Nach dem Kühler werden die im Prozeßgas ursprünglich enthaltenen feinen und die zugegebenen groben Feststoffe voneinander getrennt. Die Anwendung des Verfahrens wird z.B. durch die durch grobe Feststoffpartikeln herbeigeführte Erosion beschränkt, welche Erosion die Reinhaltung effektiviert, den Wärmetauscher aber auch abnutzt und seine Lebensdauer somit verkürzt.
US-A-3,977,846 zeigt ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlenwasserstoffen (Teeren) aus Heißgas durch Kondensation von Kohlenwasserstoffen auf der Oberfläche von Partikeln einer abgekühlten Wirbelschicht. Das beschriebene Verfahren benutzt als Fluidisierungsmittel ein separates Gas und führt das zu behandelnde Gas durch einen separaten Kanal und Düsen oder Öffnungen in besagtem Kanal in den mittleren Bereich der Wirbelschicht, wobei Abkühlung des Gases und Kondensation der Kohlenwasserstoffe derart schnell ablaufen, daß die Kohlenwasserstoffe nicht an Reaktorwänden oder Kühlflächen kondensieren können, die in einer dichten Wirbelschicht unterhalb der Gaseintrittsöffnungen angeordnet sind. Das Verfahren wird dadurch beschränkt, daß das zu behandelnde Gas durch Düsen oder Öffnungen eingeführt werden soll, denn ist es anwendbar nur, wenn das Gas keine bei der Eintrittstemperatur sinternden Verbindungen enthält. Ein getrenntes Fluidisierungsmittel ist auch eine Belastung. Erfahrungsgemäß sagt eine Anordnung der Kühlrohre am Boden der Wirbelschicht erhebliche Kosten sowie auch Sicherheitsrisiken infolge der durch die Wirbelschicht verursachten Erosion voraus.
US-A-4,120,668 zeigt ein Verfahren zur Abkühlung von Schmelztropfen und verdampften Komponenten enthaltendem Gas vor den Heizflächen entweder in einer abgekühlten Wirbelschicht oder mittels zirkulierender Partikeln, die in einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor abgekühlt sind. Das Prozeßgas selbst wird als Fluidisierungsmittel verwendet, wobei auf externes Gas verzichtet werden kann. Ferner sind das Temperaturniveau in der Wirbelschicht oder das Verhältnis des Gasstroms zum Partikelstrom im zirkulierenden Wirbelschichtreaktor so gewählt, daß die Mischtemperatur unterhalb dem Erstarrungspunkt von schmelzflüssigen und kondensierenden Komponenten liegt. Bei einem zirkulierenden Wirbelschichtreaktor werden Partikeln über ein getrenntes als Zwischenbehälter des Wirbelschichtreaktor dienendes Stellventil in den Gasstrom geführt, von wo die Partikeln mit einer hohen Geschwindigkeit (rund 10 m/s) in den Prozeßgasstrom fließen und somit mit dem abzukühlenden Gas vermischt werden.
Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf die Abkühlung von Produktgas eines druckbeaufschlagten Schmelzsaltzvergasers. Wird das Verfahren in Verhältnissen angewendet, wo eine hohe Temperatur herrscht und eine niedrige eutektische Temperatur der Partikeln eine gegenüber der Gaseintrittstemperatur relativ niedrige Mischtemperatur voraussetzt, ergeben sich in der Regel große Partikelströme und hohe Suspensionsdichten, die z.B. im Wärmetauscherteil Erosionsprobleme hervorrufen.
US-A-4,391,880 zeigt Verfahren zur Abscheidung von verflüchtigten Katalysatoren aus Produktgasen und zur Wärmerückgewinnung durch Abkühlung des Gasstroms durch Vermischung mit solch einer Menge abgekühlter Kalysatorpartikeln, daß das gewünschte Temperaturniveau erreicht werden kann, und durch Abscheidung der genanten Partikeln aus dem Gasstrom und Abkühlung derselben in einem getrennten Wirbelschichtkühler, bevor die Partikeln dem Gasstrom rückgeführt werden. Ein Nachteil des Systems besteht darin, daß es sich aus mehreren einzelnen Prozessen zusammensetzt, zwischen denen es große Feststoffpartikelströme gibt.
DE-A-3439600 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung und Abkühlung von schwefelfreiem Gas durch Leitung des Produktgases in eine Wirbelschicht. Bei diesem Verfahren wird das Produktgas entweder von oben oder von der Seite einer abgekühlten Wirbelschicht zugeführt, die durch nachgekühltes und gereinigtes Gas fluidisiert wird. Die Anordnung von Heizflächen in einer dichten Wirbelschicht verursacht im allgemeinen Abnutzungsprobleme und folglich Sicherheitsrisiken. Die Leitung des Gases in eine dichte Wirbelschicht und Verwendung desselben zur Fluidisierung setzt ein System voraus, wo ziemlich große Druckverluste überwunden werden sollen, was wiederum die Nennleistung erhöht.
FI-A-64997 zeigt ein Verfahren, wo die Temperatur eines Schmelztropfen enthaltenden Gases vor dem Wärmetauscher unter den eutektischen Temperaturbereich der Schmelztropfen gesenkt wird, indem im Wärmetauscher abgekühlte, aus dem Gas abgeschiedene und rückgeführte Feststoffpartikeln dem Gas beigemischt werden. Bei diesem Verfahren werden Feststoffpartikeln einfach vom Partikelabscheider rückgeführt und sofort im Raum oberhalb der Gaseintrittsöffnung mit dem Gas vermischt.
Das Verfahren setzt einen gewissen Mindest-Prozeßgasstrom voraus, um einerseits zu verhindern, daß Partikeln durch die Gaseintrittsöffnungen aus dem System herausfließen und um anderseits die Partikeln mit dem Gasstrom durch den Kühler zu leiten. Dies bedeutet eine erhebliche Einschränkung für die Funktion des Verfahrens in der Praxis. Ferner soll die Möglichkeit einer überraschenden Unterbrechung des Produktgasstroms in Erwägung gezogen werden, was die im System zirkulierenden Partikeln veranlaßt, durch die Gaseintrittsöffnung nach unten zu fließen.
Bei Anwendungen, wo durch die niedrige eutektische Temperatur der Partikeln niedrige Mischtemperaturen vorausgesetzt werden, ergeben sich leicht große Dichten des Massenstroms, d.h. über 5 kg/Nm³, was größere durch das System verursachte Druckverluste sowie Erosionsprobleme zur Folge hat.
Desweiteren soll die Tatsache berücksichtigt werden, daß bei Anwendungen, wo durch eine niedrige eutektische Temperatur oder aus einem anderen Grund eine niedrige Mischtemperatur und anderseits eine hohe Temperatur der Heizflächen vorausgesetzt werden, die Konstruktion nachteilig ist. Die Länge (= Höhe) der Heizfläche wächst leicht auf 20 bis 50 m. Durch die hohe Konstruktion zusammen mit der hohen Dichte des Massenstroms stellt sich der Druckverlust als Hindernis heraus, weil der Druckverlust z.B. zur Höhe des Wärmetauschers proportional ist.
Ein wohl bekanntes und anwendbares Verfahren zur Abkühlung von Prozeßgasen besteht in der Zirkulierung von abgekühltem und gereinigtem Gas und in der Vermischung desselben mit Prozeßgas vor dem Wärmetauscher auf solche Weise, daß eine Temperatur erreicht wird, die ausreichend niedrig zur Eliminierung der Klebrigkeit von Partikeln ist. Die Zirkulierung des Gases ist mit drei Schwachstellen behaftet:
1. Abhängig von der Eintritts-, Misch- und Austrittstemperaturen soll die Menge des zu zirkulierenden Gases das 1,5 bis 4-Fache des Prozeßgases betragen. Somit ist die Menge des im Kessel und in der Gasreinigungsanlage zu behandelnden Gases das 2,5 bis 5-Fache der Menge des Prozeßgases, was wiederum hohe Investitions- und Betriebskosten ergibt.
2. Bei der Abkühlung von Gas durch Vermischung mit Gas bilden im Prozeß verdampfte und im Kühlsystem kondensierende oder sublimierende Komponenten wie Alkalien, Schwermetalle usw. eine sehr fein dispergierte Suspension, d.h. Rauchgas. Ein Rauchgas wird durch eine gegenüber dem gröberen Staub desselben Materials niedrigere Sinterungstemperatur gekennzeichnet, wie früher festgestellt wurde. Desweiteren wird das Rauchgas durch die Neigung gekennzeichnet, sich an den Heizflächen festzusetzen, wie bereits ebenfalls erwähnt wurde. Daher soll eine ausreichend niedrige Mischtemperatur, d.h. eine ausreichende Menge Zirkulationsgases verwendet werden, um eine gut funktionierende Lösung zu bekommen. Die Abscheidung von Rauchgas aus großen Gasströmen ist technisch sehr schwierig. Somit bedeutet die Verwendung von Zirkulationsgas sehr kostenintensive Lösungen.
3. Eine große Erhöhung der Menge von Zirkulationsgas, was aus den obengenannten Gründen in der Praxis erforderlich ist, setzt den Teildruck von kondensierenden und sublimierenden Komponenten erheblich herab. Um Kondensation und Sublimation zu bewirken, soll die Temperatur folglich niedriger sein als es bei einem unverdünnten oder wenig verdünnten Gas erforderlich ist. Dies erhöht anderseits den Bedarf an Zirkulationsgas.
Die Einspritzung von Wasser oder einer anderen verdampfenden Flüssigkeit in den Gasstrom kann bei Abkühlungsprozessen angewendet und das Gas somit vor dem Wärmetauscher auf eine Temperatur abgekühlt werden, die in Hinsicht auf die Klebrigkeit der Partikeln niedrig genug ist. Das Verfahren hat z.B. folgende Schwachstellen:
- wenn Wasser verwendet wird, großer Wasserverbrauch, erheblicher Anstieg des Wasserdampfgehalts im Gasstrom, große Veränderung des Sauerstoffpotentials und starke Rauchgasbildung, was zu einem sehr schwer abzuscheidenden Partikelmaterial führt, wie bereits festgestellt wurde. Infolge des gesenkten Temperaturniveaus geht die Menge der wieder gewinnbaren Wärme zurück, weshalb auf die Wärmerückgewinnung in der Regel kein Wert gelegt wird. Wassereinspritzung wird meistens ausschließlich zur Abkühlung des Gases vor der Filterung benutzt.
- in der chemischen Industrie ist es oft möglich, im Gas enthaltene und im Prozeß aus dem Gas kondensierte Flüssigkeit einzuspritzen. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Prozeß, wo die Verdampfungswärme verwertet werden kann. Die eigentliche Abkühlung oder Wärmeübertragung vom Prozeß wird durch einen Kondensator erreicht. Durch Einspritzung der aus dem Gas kondensierten Komponente ist es leicht, das Temperaturniveau des Gases z.B. bei selektiver Kondensation oder Sublimation zu regeln, ohne dem Gas prozeßfremde Komponenten zuzuführen. Wie die Wassereinspritzung ist auch dieses Verfahren mit großer Rauchgasbildung verbunden, was die sublimierenden Komponenten betrifft. Die sublimierten Rauchgase können gewöhnlich nur durch Filterung oder durch einen Elektrofilter abgeschieden werden.
Die obige Beschreibung gibt ein ziemlich detailliertes Bild von den Phänomenen in Zusammenhang mit der Abkühlung von Hochtemperatur-Prozeßgasen und folglich Verschmutzungsproblemen von Wärmetauschern, welche Probleme wiederum die Abkühlung von Gas, die wirtschaftlich wichtige Wärmerückgewinnung und Gasreinigung erschweren, was sowohl für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses als auch für Umweltaspekte von Bedeutung ist.
Aus der obigen Beschreibung geht auch eine große Anzahl bekannter Verfahren und damit verbundener Schwachstellen hervor.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein einfaches und wirksames Verfahren vorgesehen werden für
- Abkühlung der Gase von Hochtemperatur-Prozessen, welche Gase verdampfte, geschmolzene und/oder feste Komponenten enthalten, und
- Wärmerückgewinnung auf eine am besten geeignete Weise, z.B. als Hochdruck- oder Niederdruck-Dampf oder durch Erwärmung des pulverisierten Eingabeguts des Prozesses oder durch eine thermische oder chemische Behandlung des pulverisierten Materials wie etwa des Eingabeguts des Prozesses durch Ausnutzung der Wärme des Prozeßgases, und
- Gasreinigung durch Minimierung der Bildung von (fein pulverisierten) Rauchgasen und durch Adsorption von Rauchgasen, Schmelztropfen oder Partikeln aus den abzukühlenden Gasen, und
- Minimierung von unerwünschten chemischen usw. Reaktionen durch Abkühlung der Gase mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit über den gewünschten Temperaturbereich, oder
- Herbeiführung einer anderen gewünschten Reaktion oder eines Phänomens wie etwa einer chemische Reaktion, die bei einer bestimmter Temperatur, Suspensionsdichte oder innerhalb einer bestimmten Zeit stattfindet.
Alle obengenannten Alternativen sind im allgemeinen nicht möglich bei einer und derselben Anwendung.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 festgelegt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vermischung des Prozeßgases mit Gas und festen Partikeln vorzugsweise so ausgeführt, daß das Prozeßgas von der Eintrittstemperatur auf die gewünschte Mischtemperatur im Mischteil mit einer hohen Geschwindigkeit, im allgemeinen 10³ bis 10&sup5; ºC/s oder noch schneller abgekühlt wird, wobei die Abkühlung auf die Mischtemperatur dem Quenchen ähnlich erfolgt. Die Abkühlung von der Eintrittstemperatur auf die Mischtemperatur ist so schnell, daß keine Zeit für unerwünschte chemische Reaktionen verbleibt. In der Gegenwart von Feststoffpartikeln erfolgen die Kondensation und Sublimation heterogen auf der Oberfläche des Feststoffes, wodurch die Bildung von Rauchgasen verhindert wird, die durch eine homogene Kernbildung entstehen würden.
Die Mischtemperatur wird vorzugsweise so gewählt, daß die aus dem Gas abzuscheidenden (sublimierenden/kondensierenden) Komponenten und Schmelztropfen erstarren und die möglicherweise sinternden Feststoffpartikeln unter die Temperatur abgekühlt werden, bei der die Sinterung einsetzt, und daß mögliche unerwünschte, durch die Temperatur induzierte chemische Reaktionen infolge des Nichtvorhandenseins der kinetischen Voraussetzungen durch die niedrige Temperatur verhindert werden, und daß die gewünschten Reaktionen in dem kinetisch vorteilhaften Temperaturbereich stattfinden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsgweise so angewendet, daß das Gemisch aus dem auf die Mischtemperatur abgekühlten Prozeßgas, dem auf die Mischtemperatur erhitzten abkühlenden Gas und dem Feststoffstrom
weiter auf eine gewünschte Temperatur z.B. in einem Wärmetauscher abgekühlt wird,
und die Feststoffe auf zweckentsprechende Weise aus dem Gas abgeschieden werden, wonach eine passende Menge davon dem Mischteil rückgeführt wird, wo sie mit dem einströmenden Prozeßgasstrom vermischt wird,
und der Prozeßgasstrom zu den nächsten Stufen des Prozesses wie der Nachreinigung, Nachkühlung zugeführt wird, und
nach einer passenden Prozeßstufe ein Teil des Gasstroms möglicherweise dem genannten Mischteil rückgeführt wird, wo er mit dem einströmenden Gasstrom vermischt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das Verhältnis von Feststoffpartikelstrom zu Gasstrom, die beide eingesetzt werden, um die Mischtemperatur zu erreichen, so gewählt werden kann, daß optimale Verhältnisse erreicht werden, wobei
einerseits die Rauchgasbildung minimiert, d.h. der Feststoffpartikelstrom dicht genug ist, um als heterogener Kernbildner zu funktionieren, auf dessen Oberfläche die sublimierenden und kondensierenden Komponenten "anwachsen", Rauchgaspartikel adsorbieren und Schmelztropfen sich festsetzen und erstarren, und andererseits die Dichte der gebildeten Suspension minimiert wird, wobei die mit der Behandlung von dichter Suspension verbundenen nachteiligen Phänomene, wie etwa großer Druckverlust, Druckvibrationen, Verschleiß, Trägheit der Regelung usw. gänzlich minimiert oder eliminiert werden.
Jedes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird fallbezogen hervorgehoben. Wenn z.B. die Wärmerückgewinnung von primärer Wichtigkeit ist, wird natürlich die höchstmögliche Mischtemperatur innerhalb der Betriebsgrenzen angestrebt, bei der die treibende Kraft des Wärmetausches möglichst groß ist. Anderseits soll jedoch eine ausreichende Suspensionsdichte gewählt werden, um für wirksame Adsorption der erstarrenden Schmelzen, Rauchgasen und kondensierenden Komponenten zu sorgen und die Kosten der Gasreinigung zu minimieren. Ferner beeinflussen die Menge und Eintrittstemperatur des Zirkulationsgases die Gesamtmenge des durch die Heizflächen fließenden Gases, die Dichte und Strömungsgeschwindigkeit der Suspension und dadurch die Wärmeübergangszahl und die Gesamtmenge und das Querschnitt/Länge-Verhältnis der Heizfläche, was ein sehr wesentlicher Faktor in Hinsicht auf sowohl Konstruktion als Druckverluste darstellen kann, wie bereits festgestellt wurde.
In speziellen Fällen kann die Verwendung von gelöste Salze u.ä. enthaltenden Flüssigkeiten in Frage kommen, um eine Kühlwirkung zu erreichen. Während in diesem Fall die Flüssigkeit in das Gas verdunstet, können die in der Flüssigkeit gelösten Verbindungen gleichzeitig in die zirkulierenden Partikeln adsorbiert werden, anstelle, daß zugelassen wird, daß sie fein pulverisiertes schwierig abzuscheidendes Partikelmaterial bilden.
Somit wird die optimale Lösung durch so viele Faktoren beeinflußt, daß es unmöglich ist, eine universale Gleichung zur Berechnung solch einer Lösung zu geben. Die optimale Lösung soll Fall für Fall auf der Basis von bekannten Bedingungen herausgefunden werden. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist ihre Flexibilität, eine gut funktionierenden Lösung in einem ziemlich ausgedehnten Rahmen zu schaffen.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren durch ihre Einstellbarkeit in Hinsicht auf den Prozeßgasstrom gekennzeichnet. Die Verwendung von zirkulierendem Gas ermöglicht nämlich bei Bedarf das Verbleiben des Feststoffes in der Zirkulation, obwohl der Strom des abzukühlenden Prozeßgases gestoppt würde. Die Gefahr, daß dabei Feststoff aus dem Kühler herausfällt, ist hierbei eliminiert.
Die Funktionsweise und Vorteile des Verfahrens werden weiter anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt dabei
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine zweite Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Einzelheit eines zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Vorrichtung,
Fig. 4 einen gchnitt entlang Linie A-A aus Fig. 3.
Fig. 1 stellt ein System gemäß der Erfindung dar, bei dem das Prozeßgas abgekühlt und daraus Wärme zurückgewonnen wird.
Prozeßgas 1 wird durch eine Eintrittsöffnung 4 im Boden 3 des Reaktors in einen Reaktor 2 eingegeben. Im unteren Teil des Reaktors ist eine Mischkammer 5 angeordnet, deren trichterförmiger Boden 6 eine Öffnung 7 in einem Abstand vom Reaktorboden aufweist. Der Boden des Reaktors und der Boden der Mischkammer bilden zwischen sich einen Windkasten 8, in dem Kasten das abgekühlte Zirkulationsgas 9 eingegeben wird. Im oberen Teil des Reaktors ist ein Wärmetauscher 10 angeordnet. Nach dem Wärmetauscher fließt das Gas 11 einem ersten Zyklonabscheider 12 zu, in dem Feststoffpartikeln daraus abgeschieden werden.
Mindestens ein Teil des im ersten Abscheider abgeschiedenen Feststoffes wird über ein Rücklaufrohr 16 in die Mischkammer zurückgeführt. Der Feststoff fließt eine geneigte Fläche am Boden des Rücklaufrohrs entlang der Öffnung 7 zu, wo das Prozeßgas, das abgekühlte Gas und der rückgeführte Feststoff aufeinandertreffen. Das im ersten Abscheider teilweise gereinigte Gas 13 wird einem zweiten Zyklonabscheider 14 zugeführt. Ein Teil 15 des im zweiten Abscheider gereinigten Gases wird dem Windkasten des Reaktors zugeführt. Es ist auch möglich, neuen Feststoff durch ein Rohr 17 in die Mischkammer einzugeben.

Beispiel 1

In druckbeaufschlagten Systemen werden die Vorteile von zirkulierendem Gas hervorgehoben. Das nachstehende Beispiel stellt einen früher erwähnten Vergaser für geschmolzene Salze dar, wobei folgendes angenommen wird:
Druck 10 bar
Eintrittstemperatur des Prozeßgases 1000 ºC
Mischtemperatur vor den Heizflächen 600 ºC
Austrittstemperatur nach den Heizflächen 300 ºC
Sattdampftemperatur 280 ºC
mittlere spezifische Wärme des Gases bei 1000 -> 600 ºC 1,6 kJ/Nm³/ºC
mittlere spezifische Wärme der zirkulierenden Partikeln 0,8 kJ/kg/ºC
Eintrittstemperatur des Zirkulationsgases 300 ºC
mittlere spezifische Wärme des Zirkulationsgases bei 300-> 600 ºC 1,4 kJ/Nm³/ºC
Mit relativem Zirkulationsgas als Variable werden folgende Werte erreicht: Suspensiondichte vZirkulation/vProzeß vGesamt Partikelzirkulation kg/Nm³ Prozeßgas
Die obige Tabelle zeigt, daß bereits bei einer so niedrigen Menge von Zirkulationsgas von 75 % der Bedarf an zirkulierenden halbiert werden kann, wobei die Suspensionsdichte um nahezu ein Drittel zurückgeht. Bei einer Menge von 100 % Zirkulationsgas, was oft noch ziemlich real ist, ist es möglich, die Partikelzirkulation auf ein Drittel und die Suspensionsdichte auf ein Sechstel der ursprünglichen Zahlen ohne Zirkulationsgas zu reduzieren.
Sogar bei einer so niedrigen Suspensionsdichte von 1 bis 5 kg/m³ wird eine mittlere Partikeldichte von rund 10&sup7;/m³ und mehr erreicht, was normalerweise ausreicht, die obengenannten gewünschten Phänomene herbeizuführen, d.h. die Rauchgasbildung zu verhindern und bereits gebildete ultrafeine Partikeln zu adsorbieren. Durch die Einstellung der Mengen von Zirkulationsgas und Partikelmaterial können fallweise leicht solche optimale Verhältnisse geschaffen werden, wo einerseits die Rauchgasbildung minimiert und anderseits die Suspensionsdichte und der zirkulierende Partikelstrom und die damit verbundenen nachteiligen Wirkungen ebenfalls minimiert werden.

Beispiel 2

Bei dem obigen Beispiel ist die Gaseintrittstemperatur von 1000 ºC noch immer ziemlich niedrig. Die Bedeutung des Zirkulationsgases wird hierbei in erster Linie durch die Druckbeaufschlagung herausgestellt. Zum Beispiel, bei den meisten Applikationen bezüglich dem Schmelzen von Sulfidkonzentraten beträgt die Gaseintrittstemperatur von 1200 bis 1400 ºC und die anwendbare Mischtemperatur von 500 bis 700 ºC. Unter Berücksichtigung der hohen spezifischen Temperatur des Gases kommt die Bedeutung des Zirkulationsgases auch in drucklosen Systemen ziemlich deutlich zum Vorschein, wie das folgende Beispiel zeigt:
Druck 1 bar abs
Eintrittstemperatur des Prozeßgases 1300 ºC
Mischtemperatur vor den Heizflächen 600 ºC
Austrittstemperatur nach den Heizflächen 350 ºC
Sattdampftemperatur 280 ºC
mittlere spezifische Wärme des Gases bei 1300 -> 700 ºC 1,9 kJ/Nm³/ºC
mittlere spezifische Wärme der zirkulierenden Partikeln 0,9 kJ/kg/ºC
Eintrittstemperatur des Zirkulationsgases 350 ºC
mittlere spezifische Wärme des Zirkulationsgases bei 350 -> 700 ºC 1,6 kJ/Nm³/ºC Suspensiondichte vZirkulation/vProzeß vGesamt Partikelzirkulation kg/Nm³ Prozeßgas
Durch die Verwendung von Zirkulationsgas kann die Partikelzirkulation somit leicht halbiert werden, was zu Suspensionsdichteniveaus in der gleichen Größenordnung wie die Gesamtemission aus dem Prozeß führt, die in Fällen wie dieser typischerweise 0,1 bis 0,5 kg/Nm³ beträgt. Eine Suspension unter 1 kg/Nm³ verhält sich einem Gasstrom sehr ähnlich, was die Realisierung der Anlage sehr viel vereinfacht.
Fig. 2 zeigt ein Zirkulationsgasssystem, wo die Abkühlung von Gas nach der Abscheidung von Feststoffpartikeln, d.h. bei gereinigtem Gas erfolgt. Hier ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Abscheidung der verdampften Alkalien von Zementöfen aus Bypaßgas vorgesehen, welcher Betrieb eine niedrige Mischtemperatur voraussetzt.
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 nur dadurch, daß das Zirkulationsgas 9 durch einen Zwischenkühler 18 geleitet wird, bevor das genannte Gas dem Windkasten 8 des Reaktors 2 zugeführt wird. Aus diesem Grunde sind die entsprechenden Teile mit den gleichen Referenznummern versehen.

Beispiel 3

Im folgenden Beispiel wird die Wirkung des Zirkulationsgases bei der Reinigung des Alkali-Bypaßgases eines Zementofens sowie bei der Wärmerückgewinnung betrachtet:
Druck 1 bar abs
Eintrittstemperatur des Prozeßgases 1050 ºC
Mischtemperatur vor den Heizflächen 350 ºC
Austrittstemperatur nach den Heizflächen 250 ºC
Sattdampftemperatur 180 ºC
mittlere spezifische Wärme des Gases bei 1050 -> 350 ºC 1,8 kJ/Nm³/ºC
mittlere spezifische Wärme der zirkulierenden Partikeln 0,9 kJ/kg/ºC
Eintrittstemperatur des Zirkulationsgases nach der Zwischenkühlung 150 ºC
mittlere spezifische Wärme des Zirkulationsgases bei 300-> 600 ºC 1,5 kJ/Nm³/ºC Suspensiondichte vZirkulation/vProzeß vGesamt Partikelzirkulation kg/Nm³ Prozeßgas
Durch das Zirkulationsgas, das in diesem Fall einfach einer Zwischenkühlung unterzogen ist, kann die Suspensionsdichte leicht auf solch ein Niveau herabgesetzt werden, wo Druckverluste und andere mit der Handhabung von dichter Suspension verbundene Probleme leicht behoben werden können, ohne wesentliche Vorteile des Systems einzubüßen. In diesem Fall ist die Zwischenkühlung eine sehr einfache Operation, weil mit den Rauchgasen des Zementofens Probleme weder in Hinsicht auf die Säure-Taupunkte noch auf die Wasser-Taupunkte des Materials vorkommen. Anderseits erfolgt die Zwischenkühlung bei ziemlich reinem Gas, weshalb die Verschmutzung des Zwischenkühlers kein Problem ist.

Beispiel aus der Eisenherstellung:

Im Bereich der Deoxidation von Eisen hat man mehrere Verfahren entwickelt, um z.B. die Blashochöfen bei der Eisenherstellung zu ersetzen. Eine interessante Möglichkeit besteht darin, den Wärmeinhalt und das Desoxidationspotential des Abgas es eines Konverters mit Bodenverblasung mittels Kohle und Sauerstoff bei der Vorwärmung und Voroxidation des Eingabeguts des Prozesses vor dem eigentlichen Schmelzen und der endgültigen Desoxidation zu verwerten.
Die Abkühlung eines durch einen Schmelzprozeß erzeugten Gasstroms oder eines Teils davon durch Wasserstrahl, Dampf oder durch Zirkulation von mittels Wasserstrahl abgekühltem Gas ist aus mehreren Zusammenhängen bekannt. Ein Nachteil dieser Systeme ist z.B. die Veränderung der Gasanalyse oder der Sauerstoffbalancen, oder daß der Wärmeinhalt des Gases nicht zurückgewonnen werden kann, wie bereits festgestellt wurde. Ein weiterer Nachteil besteht bei Gaszirkulation und Wassereinspritzung darin, daß die Bildung von schwer abzuscheidenden Rauchgasen nicht verhindert werden kann, wie ebenfalls schon festgestellt wurde.
Aus der Literatur sind mehrere verschiedene Prozeßkonzepte bekannt, bei denen die Verwertung der Gase von Kohle-Sauerstoff-verblasenen Schmelzprozessen bei der Vorreduktion des Eingabeguts des Prozesses angestrebt wird. Bei diesen Lösungen hat man vorgeschlagen, das Gas vor dem Vorreduktionsprozeß abzukühlen, zu reinigen und wiederzuerwärmen. Die Verfahren sind kompliziert und vor allem zu teuer, um eine ausreichende Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Gase des Blashochofens einfach auf ein für den Deoxidationsprozeß geeignetes Temperaturniveau abgekühlt werden und von für den Reduktionsprozeß schwierigen Rauchgasen zu reinigen, bevor die Gase den genannten Prozessen zugeführt werden, ohne die Gasanalyse selbst zu beeinflussen. Je nach dem eingesetzten Deoxidationsprozeß soll das Gas auf ein Temperaturniveau von 700 bis 1000 ºC abgekühlt werden. Das Verfahren kann z.B. durch eine in Fig. 2 dargestellte Anlagenlösung verwirklicht werden. Ein geeignetes zirkulierendes Partikelmaterial kann Fall für Fall im allgemeinen so gewählt werden, daß es zusammen mit den aus dem Prozeßgas abgeschiedenen Partikeln dem Prozeß rückgeführt werden kann. Desweiteren können die zirkulierenden Partikeln so gewählt werden, daß sie auch bei höheren Temperaturen nicht sintern oder daß den zirkulierenden Partikeln Materialien beigemischt werden, die die Sinterung von solchen Partikeln verhindern. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die Temperatur des Gases nach Bedarf eingestellt, das Gas von Rauch gereinigt, und die bei der Abkühlung freigesetzte Wärme bei der Erzeugung von Prozeßdampf oder Hochdruckdampf verwertert werden kann, ohne die Gasanalyse selbst zu beeinflussen.
Das oben Dargestellte zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Temperaturregelung und Reinigung der Gase eines Sauerstoff-Kohle-verblasenen Eisenschmelzreaktors, bevor die Gase im Deoxidationsprozeß verwendet werden. In diesem Zusammenhang gibt es auch eine andere Möglichkeit, die einigermaßen analog zum Vorwärmen des Eingabeguts ist. Die Gase des Schmelzprozesses werden hier in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geleitet (Fig. 2), wo die Temperatur mit dem Zirkulationsgas und möglicherweise im Wirbelschichtreaktor angeordneten Heizflächen auf eine für die Vorreduktion geeignete Temperatur eingestellt und zu vorreduzierendes Eisenkonzentrat als zirkulierende Partikeln eingesetzt wird. Die Eingabe von Konzentrat und die Menge sowohl des Zirkulationsgases als auch der zirkulierten Partikeln wird so eingestellt, daß eine für die die Vorreduktion ausreichende Verweilzeit erreicht wird. Anschließend wird das heiße vorreduzierte Material entweder direkt in den Blashochofen eingegeben oder abgekühlt eventuell zu Briketten verarbeitet und nach einer eventuellen Lagerung zum Schmelzen verwendet. Die Eingabe von heißem Material direkt in den Schmelzprozeß ist natürlich das beste in Hinsicht auf die Energiewirtschaftlichkeit. In der Praxis kann es andere Faktoren geben, die für Abkühlung und Lagerung sprechen.
Das die Vorreduktionsstufe mit derselben Temperatur wie das deoxidierte Konzentrat verlassende Gas ist noch immer ein an CO-H&sub2; reiches Gas. Dieses Gas wird ferner entweder beim Vorwärmen, Luftvorwärmen oder Erzeugen von Hochdruckdampf weiter verwertet.
Die obigen Beispiele stellen durch das erfindungsgemäße Verfahren geschaffene Voraussetzungen bei der Verwertung des Wärmeinhalts und chemischen Potentials von Prozeßgasen beim Vorwärmen des Eingabeguts des Prozesses und bei der Deoxidation dar. Ferner wird durch die Beschreibung die Nöglichkeit präsentiert, gewisse Reaktionen durch Abkühlung des Gases mit einer hohen Kühlgeschwindigkeit durch den gewünschten Temperaturbereich zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Ausführung von gewünschten Reaktionen, indem aus der Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, die Temperatur, die Verweilzeit des Feststoffes und das chemische Potential des Gases zu regeln.
Die obige Beschreibung stellt mehrere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die obigen Beispiele zeigen, daß eine Kombination aus zirkulierenden Partikeln und Zirkulationsgas Fall für Fall optimiert werden kann. Dies kann jedoch in eine zu niedrige Partikeldichte im Mischabschnitt in Hinsicht auf Rauchgasbildung und Adsorption ergeben. Bei der Anlagenlösung soll dieser Aspekt mitberücksichtigt werden. Bei den obigen Beispielen handelte es sich um die Dichte der durch den Reaktor zirkulierten Suspension, die mit dem Zirkulationsgas auf ein Niveau von 0,5 kg/m³ und sogar darunter eingestellt werden konnte. In diesem Fall ist die mittlere von der Korngröße abhängige Partikelmenge 10&sup6;/m³ oder sogar weniger, wobei der durchschnittliche Abstand zwischen den Partikeln sogar bis auf 10 mm steigt. Die Rauchgasbildung und Adsorption von ultrafeinen Partikeln setzten im allgemeinen eine höhere Partikeldichte, z.B. 10&sup7; bis 10&sup9;/m³ an der Mischstelle voraus, wobei der Abstand zwischen den Partikeln 5 bis 1 mm beträgt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, eine Anlage dieser Art zu realisieren. Eine einfache und bevorzugte Ausführungsform besteht darin, den Mischabschnitt des Reaktors auf solche Weise zu konstruieren, daß ein größerer oder kleinerer Teil der Partikeln darin sich in einer internen Zirkulation im Mischabschnitt befindet und daß nur ein Teil der Partikeln der durch den Oberteil des als Förderer dienenden Reaktors geleiteten Zirkulation zugeführt wird. Dies wird in einfacher Weise z.B. so realisiert, daß der effektive Querschnitt des Mischabschnitts größer ist als der des Förderabschnitts. In diesem Fall ist die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit im Mischabschnitt entsprechend kleiner als die im Förderabschnitt, wobei die im Mischabschnitt herrschende Suspensionsdichte höher ist.
Ferner ist die Geometrie des Mischabschnitts so realisiert, daß eine interne Zirkulation gebildet wird, die gezwungen wird, zur Mischstelle zurückzukehren. Auf diese Weise kann die Suspensionsdichte des Mischabschnitts und insbesondere der Mischstelle in einem großen Bereich eingestellt werden. Im allgemeinen ist eine Suspensionsdichte von 10&sup7; bis 10&sup8; Partikeln/m³ an der Mischstelle ausreichend, wobei die Suspension je nach Partikelgröße und spezifischem Gewicht usw. 10 bis 100 kg Feststoffpartikeln pro Kubikmeter enthält. Es handelt sich somit um keine eigentliche Wirbelschicht, wo die Suspensionsdichte Hunderte von Kilogramm pro Kubikmeter beträgt und sich die Druckverluste entsprechend auf einem erheblich höheren Niveau bewegen.
Fig. 3 und 4 illustrieren eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Besagte Figuren stellen den unteren Teil des in Fig. 1 gezeigten Reaktors 2 dar, welcher untere Teil die Mischkammer 5 umfaßt, die wiederum einen nach unten konischen Boden 6 aufweist, an dessen unterste Stelle ein Gaseintritt 7 angeordnet ist. Mit dem zwischen dem Reaktorboden 3 und Mischkammerboden gebildeten Windkasten 8 ist ein tangential daran anschließendes Eintrittsrohr 29 für Kühlgas 9 verbunden. Am Reaktorboden ist zentrisch ein Eintritt 4 für Prozeßgas 1 angeordnet. Mit der Mischkammer verbundene Rückführrohre 16 für abgeschiedene Feststoffpartikeln leiten die rückgeführten Partikeln in einer abwärts zirkulierenden Bewegung der Gaseintrittsöffnung 7 zu. Die Querschnittsfläche des Mischabschnitts ist größer als die des als Förderer funktionierenden Reaktors darüber.
Es ist offensichtlich, daß der in Fig. 3 und 4 dargestellte Mischabschnitt auch auf eine andere Weise ausgeführt werden kann. So kann der konische Boden der Mischkammer mit Öffnungen versehen sein, durch die mindestens ein Teil des abzukühlenden Gases geleitet wird. Ein Teil der Feststoffpartikeln kann durch das Gaseintrittsrohr 29 in die Mischkammer eingegeben werden.
Das in Fig. 3 und 4 gezeigte Funktionsprinzip des Mischabschnitts stellt die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens heraus, wie
a) die Suspensionsdichte und Temperatur des Mischabschnitts und insbesondere der Mischstelle können innerhalb eines großen Bereichs auf ein für jeden Fall passendes Niveau eingestellt werden, Dichte und Feststoffstrom der Suspension zum Förderabschnitt und Partikelabscheider können Fall für Fall auf ein optimales Niveau minimiert werden, wobei mit einer hohen Suspensionsdichte verbundene Probleme, wie etwa Verschleiß, System zur Behandlung von Feststoffpartikeln, Druckverluste, usw. minimiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen und Lösungen beschränkt, sondern es sind verschiedene Modifikationen, Anwendungen und Konstruktionen möglich innerhalb des durch die Patentansprüche festgelegten Schutzumfangs.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Prozeßgas durch Abkühlung des Prozeßgases in einem Reaktor, bei welchem Verfahren - das Prozeßgas mit fluidisierten Feststoffpartikeln in einer Mischkammer in Kontakt gebracht wird, wonach Feststoffpartikel in einer Abscheidestufe in einem oder mehreren Abscheidern aus dem Prozeßgas nach der Gasbehandlung abgeschieden und hauptsächlich in die Mischkammer zurückgeführt werden, und

- das Prozeßgas zusätzlich zu den rückgeführten Feststoffpartikeln entweder gleichzeitig oder mit einem kurzen Intervall mit rückgeführtem Prozeßgas in Kontakt gebracht wird, das im Reaktor behandelt worden ist und aus dem Feststoffpartikeln in der Abscheidestufe abgeschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Prozeßgas-Feststoff-Gemisch durch die Heizflächen vor der Abscheidestufe weitergekühlt wird, so daß die rückgeführten Komponenten, d.h. die rückgeführten Feststoffpartikel und das rückgeführte Prozeßgas kühler sind als das zu behandelnde Prozeßgas.

2. Verfahren zur Behandlung von Prozeßgas durch Abkühlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Prozeßgas aus einem Prozeß abgezogene verdampfte Komponenten auf die Oberfläche von Feststoffpartikeln in der Mischkammer sublimiert werden, indem das Prozeßgas unter die Phasenübergangstemperatur der verdampften Komponenten abgekühlt wird.

3. Verfahren zur Behandlung von Prozeßgas durch Abkühlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Prozeßgas enthaltene Rauch hauptsächlich zur Adsorption auf die Oberfläche der Feststoffpartikeln in der Mischkammer durch Abkühlung des Prozeßgases veranlaßt wird.

4. Verfahren zur Behandlung von Prozeßgas durch Abkühlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Prozeß mit Prozeßgas abgezogene geschmolzene Komponenten veranlaßt werden, sich auf der Oberfläche von Feststoffpartikeln festzusetzen und zu erstarren oder zu Feststoffpartikeln zu erstarren, indem das Prozeßgas in der Mischkammer unter die Phasenübergangstemperatur der geschmolzenen Komponenten abgekühlt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die gewünschte Reaktion günstige Mischtemperatur und/oder Feststoff-Suspensionsdichte in der Mischkammer aufrechterhalten wird, indem die Mengen der mit dem Prozeßgas in der Mischkammer zu vermischenden rückgeführten Partikeln und/oder des rückgeführten Gases eingestellt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas unter die Sinterungstemperatur der im Prozeßgas enthaltenen Partikeln abgekühlt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas und das rückgeführte Prozeßgas miteinander in Kontakt gebracht werden, unmittelbar bevor sie mit Feststoffpartikeln in Kontakt kommen.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Prozeßgas zu vermischendes rückgeführtes Prozeßgas mit einem Feststoffpartikelstrom vermischt wird, unmittelbar bevor es mit dem Prozeßgasstrom in Kontakt kommt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der rückgeführten Feststoffpartikeln mit dem rückgeführten Prozeßgas vermischt und ein anderer Teil mit dem Prozeßgas vermischt wird, unmittelbar bevor die Gase miteinander in Kontakt gebracht werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rückgeführtes Prozeßgas mit Prozeßgas und rückgeführten Partikeln vermischt wird, unmittelbar bevor das Prozeßgas mit den festen fluidisierten Feststoffpartikeln in Kontakt kommt.

11. Vorrichtung zur Behandlung von Prozeßgas durch Abkühlung des Prozeßgases in einem Reaktor, umfassend

- einen vertikalen Reaktor (2) mit einer Eintrittsöffnung (4) für Prozeßgas in seinem Boden, wobei der Reaktor in seinem unteren Teil eine Mischkammer (5) aufweist und die Mischkammer einen konischen Boden (6) mit mindestens einer unten im konischen Boden oder in dessen unmitelbarer Nähe angeordneten Eintrittsöffnung (7) hat;

- mindestens einen mit dem oberen Teil des Reaktors verbundenen Abscheider (12, 14) zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus aus dem Reaktor abgezogenen Prozeßgas;

- einen mit der Mischkammer (5) verbundenen Eintrittsrohr (17) zur Eingabe von frischem Feststoff;

- einen mit der Mischkammer verbundenen Eintrittsrohr (16) zur Rückführung von abgeschiedenen Feststoffpartikeln aus dem mindestens einen Abscheider in die Mischkammer;

- einen Kanal (15) für den Abzug von behandeltem Prozeßgas aus dem mindestens einen Abscheider; und

- einen den Abzugkanal (15) mit der Eintrittsöffnung (7) im konischen Boden (6) der Mischkammer (5) verbindenden Kanal (9) zur Rückführung von behandeltem Prozeßgas in die Mischkammer, dadurch gekennzeichnet, daß

- Heizflächen (10) im oberen Teil des Reaktors vor dem Abscheider angeordnet sind.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Windkasten (8) zwischen dem Reaktorboden (3) und dem konischen Boden (6) der Mischkammer gebildet wird und

- ein Eintrittsrohr (29) für rückgeführtes Gas tangential an den Windkasten angeschlossen ist.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Eintrittsöffnung (7) des konischen Bodens der Mischkammer am untersten Punkt des konischen Bodens und konzentrisch mit der Eintrittsöffnung (4) des Reaktors angeordnet ist, und daß

- der unterste Punkt des konischen Bodens (6) der Mischkammer in solch einem Abstand vom Reaktorboden angeordnet ist, der einen gleichmäßigen Strom von rückgeführtem Gas vom Windkasten (8) in die Mischkammer ermöglicht.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsrohr (16) in der Reaktorwand angeordnet ist und derart mit der Wand einen schrägen Winkel bildet, daß die rückgeführten Feststoffpartikeln beim Einströmen in den Reaktor eine nach unten geneigte Bahn bilden.