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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von thermischen Spaltprozessen
im Wirbelschichtverfahren, insbesondere zur Abröstung von Sulfaten Die Abröstung
von Sulfaten zur Gewinnung von S 02-Röstgasen einerseits und der Base andererseits
unter Zusatz von Reduktionsstoffen und Heizmitteln geschieht meist in den üblichen
Etagenröstöfen. Aber auch Drehtrommeln und Schachtöfen sind zu diesem Zwecke verwendet
worden. Zu den beiden Letztgenannten Ofentypen zu greifen, ist man dann genötigt,
wenn die entwickelten Röstgase Eisen korrodierende Begleitgase, wie Chlor und Chlorwasserstoff,
enthalten, wie es bei Na Cl enthaltenden Sulfaten der Kieseritklasse der Fall ist.
Zum Beispiel wird nach einem bekannten Verfahren in einem senkrechten Schachtofen
mittels Preßluft oder Dampf eine wässerige Sulfatlösung verdöst und durch einen
Heizgasstrom bis über die Spaltungstemperatur des Salzes hinaus erhitzt.
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Das einfachste Mittel zur thermischen Spaltung wird immer die direkte
Wärmeübertragung aus der verbrennenden Kohle und ihren heißen Verbrennungsgasen
sein; infolgedessen erfordertdieDurchführung eines derartigen Vorganges in der Feststoff-Gasphasengrenze
entsprechend durchgebildete Vorrichtungen.
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Eine solche Vorrichtung muß folgenden Bedingungen genügen: die Verbrennungszeit
der Kohle soll nicht länger sein als die Reaktionszeit, die
benötigt
wird, um das Sulfatteilchen zu spalten, entweder auf Grund der sofortigen thermischen
Spaltung in das Oxyd und den Säureteil oder nach voraufgegangener Abgabe von Sauerstoff
aus dem Sulfatverband an den Kohlenstoff. Es ist dabei eine weitere Bedingung zu
stellen: die des Fehlens von der Korrosion ausgesetzten Eisenteilen in der Röstgaszone.
Diese Bedingung erfüllt der sogenannte Wirbelschichtröster. Er ist für mancherlei
Zwecke, z. B. für die Abröstung von Pyriten; in Gebrauch. Während aber bei reinen
Pyritabbränden die Staubabsonderung wenig Schwierigkeit macht, zumal da die Zersetzungstemperatur
von Eisensulfit sehr niedrig liegt, lassen sich die leichten Magnesiumoxydstäube,
auch Zn und As enthaltende Abbrände, nicht in so einfacher Weise abscheiden. Ihre
möglichst verlustlose Gewinnung ist ebenfalls eine Forderung an eine geeignete Vorrichtung.
Die hohe Staubdichte der Gase bei der Wirbelschichtabröstung führt bei Anwendung
der üblichen Staubkammern zu großen Verlusten, wenn die Ausscheidung unter Temperaturen
zustande kommt, bei denen der Säureanteil des Röstgases wieder mit Begierde aufgenommen
wird. Hier versagen wegen der. notwendig hohen Abscheidetemperatur mechanische oder
elektrostatische Mittel.
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Als wirksame Einrichtung ist die Abscheidung der feinen Stäube durch
starke Verlangsamung der Gasstromgeschwindigkeit und plötzlichen Richtungswechsel
bekannt. Sie muß aus thermochemischen Gründen über der kritischen Spaltungstemperatur
erfolgen, solange also die Gase noch wenig von ihrem Wärmeinhalt eingebüßt haben.
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Die Ausbildung der erweiterten Brennkammer als zylindrischer Hohlraum,
indessen zumeist trichterförmigem Boden sich das Brennbett befindet, hat sich als
nicht wirksam gezeigt, da sich entsprechend der Reaktionsdauer ein sehr langgestrecktes
Gasstromparaboloid bildet, aus dem die Scheidung der schweren Feststoffteilchen
bis zum Gasaustritt wegen der der Fallrichtung entgegenwirkenden Gasströmung nur
sehr unvollkommen erfolgt. Eine anschließende Staubscheidekammer ist wegen der enormen
Abkühlung durch die Außenwände unr entabel, da eine Abkühlung unter 6oo° schon zur
Rückbildung des Sulfates oder Sulfits oder einer anderen Schwefelverbindung des
entstandenen Metalloxyds führt.
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Es hat sich nun als 'sehr wirksam gezeigt, die Ablenkung des Gasstromes
innerhalb des Ofenraumes in einemehrhorizontaleRichtungvorzunehmen. Bei genügender
Verbreiterung des Ofenhohlraumes setzten sich in solchem Falle die Stäube infolge
der Schwerkraft ab ohne wesentliche. Abkühlung und Rückbildung der eingeleiteten
Zersetzung. Es wird daher gemäß der Erfindung das Wirbelschichtbett auf die eine
Stirnseite eines langgestreckten rechteckigen Hohlraumes gelegt, die Abführung der
Zersetzungserzeugnisse auf die gegenüberliegende. Die Herausführung der Stäube kann
hierbei mechanisch oder durch eine schiefe Rutschebene erfolgen.
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Langgestreckte Reaktionsräume bei Wirbelschichtöfen sind in der deutschen
Patentschrift 5o6 544 als Einrichtung zur Erzeugung und Wiederbelebung aktiver Kohle
beschrieben. Aber abgesehen davon, daß in dieser für Behandlung von Aktivkohle gewählten
Einrichtung das Flächenrechteck des Ofenbettes zur Durchführung der gewünschten
Reaktion dient, während es hier Niederschlagsebene ist, fehlt ihr der Wirbelschichttrichter
als Hauptreaktionsraum. Auch bei dem Wirbelschichtofen nach Wink 1 e r (Chemie-Inge=
nieur-Technik 24 [r952], S. 96) ist der eigentliche Reaktionsraum nicht auf der
einen Seite eines langgestreckten Ofens angeordnet, während an der anderen, entferntesten
Stelle die Gase abgeführt werden.
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Um die Einwirkung der sauren Gasbestandteile auf die basischen Niederschlagsstoffe
noch zu verringern, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter die Sammlung
der bei der Reaktion entwickelten überschüssigen Wärme durch besondere Vorrichtungen
erzielt, teils um die Reaktionszone zu vergrößern, teils auch um den Brennstoffaufwand
zu vermindern, mit dem Ziele, einen durch weniger Kohlenasche verunreinigten Abbrand
zu erhalten. So enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Konstruktionsmerkmale:
die Strahlungsdecke und den eisernen Wirbelschichttrichter als Wärmetauscher. Die
von den fliegenden und fallenden Fe-ststoffteilchen nach allen Richtungen ausgestrahlte
Wärme wird zu einem sehr großen Teil durch die parabolische Gestaltung einer Strahlungsdecke
wieder gewonnen. Diese Strahlungsdecke hat eine der Rutschebene der niedergefallenen
Stäube nahezu parallele Neigung, so daß sie die aus der Reaktionszone aufgenommene
Strahlungswärme auf das Bett der Feststoffteilchen wieder weitgehend zurückstrahlt.
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Durch den Wirbelschichttrichter wird die wärmemäßig am stärksten beanspruchte
Stelle des Ofens zum Wärmeaustausch benutzt und damit eine nicht unerhebliche Wärme
wiedergewonnen. Erfindungsgemäß wird deshalb die Wirbelbettwandung als Hohlwand
ausgeführt, wobei ohne Gefährdung der Sicherheit Gußeisen, auch zunderfestes, kohlenstoffarmes
Eisen oder Legierungen Anwendung finden können: Der Hohlraum wird von der Verbrennungslust
durchflossen; sie-strömt unter Aufnahme der vom Reaktionsbett abgegebenen Wärme
unter den Rost des Wirbelbettes, auf welchem die Verbrennung der Kohle, die Reduktion
des Sulfates und seine Spaltung in .kürzester Zeit vor sich geht. Die Verbrennungsluft
erfährt -hierdurch eine Aufheizung auf mehr als 2oo°.
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Die Zeichnung stellt einen senkrechten- Längsschnitt durch den erfindungsgemäß
verwendeten Ofen dar: In dem langgestreckten Hohlraum 5 befindet sich auf der einen
Schmalseite das Wirbelschichtbett 3 über dem Wirbelschichttr ichter 2. In dessen
Hohlwand wird bei 8 die Verbrennungsluft eingeblasen, welche unter den Rost tritt,
auf dem sich die Röstmasse befindet. Diese wird aus einem Behälter durch ein Zulaufrohr
z in dem Mäße nachgefüllt, wie der Abbrand über den Sattel der schrägen Rutschebene
6 in den Austragraum 7 fließt. Die
Wärmestrahlen, die von der goo
bis iooo° heißen Wirbelschichtoberfläche und von den fliegenden Verbrennungsteilchennach
allenSeiten ausstrahlen, werden, soweit sie die Ofendecke 4 treffen, vermöge deren
Neigung zur Brennzone und zur Rutschebene des Abbrandes auf diese zurückgeworfen,
wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Hierdurch wird Wärme zur Nacherhitzung
auf der Ofensohle gesammelt, so daß bei 7 ein nahezu kohlefreies Abbrandprodukt
anfällt. 9 und io stellen zwei Entleerungsklappen für den Wirbelschichttrichter
dar, die dazu dienen, bei kurzzeitigen Betriebsunterbrechungen notfalls das Wirbelschichtbett
zu entleeren oder von etwa gebildeten Schlacken zu befreien oder auch durch den
Rost etwa durchgefallenen Staub zu entfernen. Auch läßt sich bei io mit Hilfe eines
eingeschraubten Thermometers sehr bequem der Vorwärmungsgrad der Frischluft messen,
welcher je nach Beaufschlagung des Wirbelschichttrichters zwischen Zoo und 300 °
liegt.
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Unter Anwendung dieses Ofenprinzips ist Magnesiumsulfat von 93% Reinheit
mit Schwelkoks abgerüstet worden, wobei ein Abbrand mit einem Gehalt von 66% freiem
Mg0 erhalten wird. Es läßt sich darin auch roher Kieserit mit 2o% Wasser und io%
Verunreinigungen, darunter bis 6% Na Cl auf Mg O mit nur 3 % S-Restgehalt mit atm.
Luft abrüsten unter Gewinnung von 5 % S02-Gasen mit noch 4,5 0/0 02. Es sind ferner
mit Erfolg auch Schwefelkiese der verschiedensten Art, auch Flotationskiese mit
geringem S-Gehalt, ferner Zinkblende und Meggener Kies der oxydativen Abspaltung
des S unter Gewinnung von Abbränden mit i % S-Höchstgehalt durchgeführt und hierbei
Röstgase der üblichen Zusammensetzung, wie bei Etagenröstöfen, erhalten worden.
Wegen der Wärmerückgewinnung direkt aus der Hauptreaktionszone und der Wärmekonzentrierung
auf die fast abgerüsteten Stoffteilchen eignet sich das vorstehende Verfahren für
alle Arten von thermischen Spaltungen, besonders für solche Prozesse, bei denen
zur Abspaltung des Schwefels oder auch anderer gasförmiger Bestandteile der ursprünglich
endotherme Vorgang durch Heizmittelzugabe unterstützt werden muß.