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Ofen zur Behandlung von festem kohlenstoffhaltigem Material mit Chlorgas
Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Behandlung von festem kohlenstoffhaltigem
Material mit Chlorgas bei hoher Temperatur.
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Ein beachtliches Problem bei der Verchlorung von Koks od. dgl. bei
hoher Temperatur, z. B. looo bis 1q.00° C oder mehr, ist die sehr erhebliche Korrosionswirkung
von Chlorgas, insbesondere sein starker Angriff auf gewöhnliche, feuerfeste Mineralien,
z. B. Tonerdesilikate u. dgl. Bei Durchführung der Reaktion in einem feuerfest ausgekleideten
Ofen besteht immer die Gefahr, daß das Chlor die feuerfeste Auskleidung zerfrißt,
die insbesondere bei Kokseinsatz in flüchtige Chloride verwandelt wird, so daß häufige
Reparaturen oder Erneuerungen notwendig sind. Kohlenstoffauskleidungen unterliegen
in bekannten Öfen infolge Einwirkung der Heizvorrichtung einem unwirtschaftlich
hohen Verschleiß.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Ofens der
erwähnten Art, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind und wesentlich erhöhte
Wirtschaftlichkeit und Kontinuität des Betriebes erreicht wird.
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Dies wird erfindungsgemäß erzielt durch zwei miteinander verbundene
Kammern, von denen die eine, hier weiter Heizkammer genannte Kammer vollständig
mit nichtkohlenstoffhaltigem anorganischem feuerfestem Material ausgekleidet und
mit
einer Vorrichtung zum Liefern des kohlenstoffhaltigen Materials
und dessen Erwärmung darin versehen ist, während die andere, hier weiter Chlorbehandlungskammer
genannte Kammer mit Kohlenstoff ausgekleidet ist und das erhitzte kohlenstoffhaltige
Material von der Heizkammer empfängt, wobei in der Chlorbehandlungskammer eine Vorrichtung
zum Liefern von Chlorgas so angeordnet ist, daß das gelieferte Chlorgas durch den
größeren Teil der Chlorbehandlungskammer strömt, bevor es in die mit einer Gasablaßvorrichtung
versehene Heizkammer eintritt. Der Ofen ist vorzugsweise mit einer Heizvorrichtung
versehen, die aus Elektroden oder Elektrodengruppen besteht, die sich in Abstand
voneinander in die Heizkammer längs der Bahn des kohlenstoffhaltigen Materials durch
die Kammer erstrecken. Der Ofen kann aus einer senkrechten länglichen Kammer bestehen,
in deren oberem Teil die Heizkammer angeordnet ist und in deren unterem Teil die
Chlorbehandlungskammer angeordnet ist, und die Vorrichtung zum Liefern und Ableiten
von Gas kann am Boden bzw. am Kopf des Ofens angeordnet sein. Die Elektroden oder
Elektrodengruppen der Heizvorrichtung können sich in der Heizkammer in senkrechtem
Abstand voneinander erstrecken. Der obere Teil der Heizkammer stellt eine Vorwärmzone
dar, die sich zwischen der obersten Elektrode oder Elektrodengruppe und der Gasableitvorrichtung
erstreckt.
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Mit einer solchen Anordnung wird das kohlenstoffhaltige Material durch
elektrische Leitung des Materials selbst auf vertikalen Leitungswegen erhitzt. Das
Chlorgas wird durch einen Ein,laß am Boden der Behandlungskammer zugeführt und steigt
im Gegenstrom zu der Beschickung nach oben, die infolge der Schwerkraft nach unten
wandert und entsprechend nachrückt, wenn behandelte Mengen am Fuß des Ofens entnommen
werden. Die Abgase werden am oberen Teil der Heizkammer abgelassen.
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Mit einer solchen Anordnung erzielt man eine wirksame Erhitzung des
Einsatzes mit dem durchfließenden Strom, wobei aber das konzentrierte Chlorgas,
d. h. jener Teil des Gasstroms, der sich in hochreaktivem Zustand befindet, im wesentlichen
auf die untere Kammer beschränkt ist, wobei die Kohlenstoffauskleidung seinem Angriff
widersteht. Das feuerfeste Material in dem oberen Teil des Ofens ist nur einem Gas
mit geringem Chlorgehalt ausgesetzt, und seine elektrische Isolierfähigkeit gestattet
die erwähnte Erhitzung mittels elektrischer Leitung durch den Einsatz, d. h., es
besteht keine Kurzschlußgefahr durch die -Wandung der Heizkammer, die eintreten
könnte, wenn die Wandung wie bei der unteren Kammer aus Kohlenstoff hergestellt
wäre.
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Die Zeichnung veranschaulicht als Ausführungsbeispiel der Erfindung
einen Ofen zur Behandlung von Koks oder Anthrazitkohle mit Chlorgas, und zwar teils
in Seitenansicht, teils im Längsschnitt.
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Die dargestellte Einrichtung ist ein Schachtofen, also ein aufrecht
stehender Ofen, durch welchen der Koks od. dgl. bei der Behandlung allmählich oder
intermittierend abwärts nachrückt, um am Boden als behandeltes Produkt entnommen
zu werden.
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Der Ofen hat einen Stahlmantel io mit einem Deckel i i und einen Ablaßteil
12 von kleinerem Durchmesser am Boden. Die gesamte Anordnung hat Zylinderform mit
einer senkrechten Achse, und der Stahlmantel bildet einen sicheren, im wesentlichen
gasdichten Abschluß. Am oberen Ende des Ofens befinden sich geeignete Mittel für
die Einführung aufeinanderfolgender Einsatzmengen, z. B. das aufrecht stehende Rohr
14 und die Leitung 15,
die aus einem nicht dargestellten Koksbehälter in das
Rohr 1q. mündet, ferner Drosselklappen 16, 17
od. dgl., mit denen bestimmte,
zwischen ihnen befindliche Mengen von unbehandeltem Koks zugeführt und dann in die
Hauptkammer des Ofens eingefüllt werden können, ohne daß das Gas aus dieser Kammer
nennenswert mit der Außenluft in Verbindung kommt.
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Der gesamte Innenraum der Kammer hat von oben bis unten eire hitzebeständige
Auskleidung, die gemäß der Erfindung in verschiedenen Zonen aus verschiedenen Materialien
besteht. Wenn auch gegebenenfalls die gesamte Stärke der Wandung in den entsprechenden
Zonen aus solchem Material hergestellt sein kann, so besteht doch eine geeignete
Ausbildung aus einer Wandung oder äußeren Auskleidungsschicht 18, die sich über
die gesamte vertikale Wand des Ofens einschließlich des Ablaßteils 12 erstreckt.
Diese Schicht 18 ist aus geeignetem, dichtem, feuerfestem, anorganischem Mineral
gebildet, z. B. aus gebranntem Ton in Brikett-, Ziegel- oder dergleichen Form. Im
oberen Teil des Ofens, der die Heizkammer 2o enthält, besteht die innere Hauptauskleidung
2 1 in ähnlicher Weise aus dichtem, anorganischem, feuerfestem Material, d. h. einem
feuerfesten Mineral, z. B. gebranntem Ton in Brikett-, Ziegel-, Platten- oder dergleichen
Form, der eine geeignete Widerstandsfähigkeit lediglich gegen die Einwirkung hoher
Temperatur im Bereich bis zu etwa i6oo° C oder wenigstens bei einer Temperatur hat,
die von dem Einsatz außen. erreicht wird.
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Unterhalb einer geeigneten Stelle, die durch die Teilungslinie 22
angedeutet ist, und abwärts bis etwa zur Linie 23, die den Einlaß zu dem Ablaßraum
12 bezeichnet, besteht die innere oder Hauptauskleidung 24. des Ofens aus Kohlenstoff,
vorzugsweise verhältnismäßig dichtem und festem Kohlenstoff, der in Briketts, Ziegeln
oder anderen Stücken geformt ist und vorzugsweise hohe Reinheit, d. h. geringen
Aschegehalt aufweist. Beispielsweise ist Kohlenstoff derjenigen Art, wie er bei
der beschriebenen Verchlorung von Koks erhalten wird, hervorragend geeignet. Der
Kohlenstoff wird in geeigneter Brikett- oder dergleichen Form nach einem an sich
bekannten Verfahren gepreßt, wie es zur Herstellung von Elektroden dient, die beispielsweise
zum Gebrauch in flüssigen .Elektrolyten bestimmt sind. Ein anderes geeignetes Ausgangsmaterial
für den Kohlenstoff ist Petrolkoks, der
einem ähnlichen Herstellungsverfahren
unterworfen wird.
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Der untere, mit Kohlenstoff ausgekleidete Teil des Ofens hat eine
Behandlungskammer 25, in welche die obere Heizkammer 2o mündet und die das erhitzte
Einsatzmaterial aus der Kammer 2o aufnimmt. Am unteren Ende des Ofens, der im übrigen
vom Kopf bis zum Boden gleichen Durchinesser hat, ist ein konischer Abschnitt 27
vorgesehen, der einen Teil der mit Kohlenstoff ausgekleideten Behandlungskammer
bilden kann. Durch ein geeignetes Zuflußrohr 28, das in eine mit Kohlenstoff ausgekleidete
Muffe 30 am Fuß des Ofens mündet und z. B. durch die Wand des konischen Abschnittes
27 geht, wird kontinuierlich Chlorgas eingelassen, das durch den Einsatz aufwärts
steigt. Am Kopf des Ofens, vorteilhaft über der heißesten Zone der Heizkammer 2o
ist ein gleiches Rohr 31, das in eine feuerfeste Buchse 32 mündet, für den Abzug
der Abgase aus dem Ofen angebracht. Der Ablaßteil 12 hat einen geeigneten Auslaß,
z. B. den seitlich offenen Raum 34, der gewöhnlich von einer feuerfest ausgekleideten
Tür"35 verschlossen ist, die aufwärts und auswärts geschwenkt oder auf andere Weise
betätigt werden kann, um die behandelten Koksmengen nacheinander abzulassen. Der
Ablaßteil 12 hat ebenfalls eine geeignete hitzebeständige Auskleidung 37, die aus
anorganischem, feuerfestem, dichtem Mineral, z. B. Briketts von gebranntem Ton bestehen
kann, da sie nicht nennenswert dem zerstörenden Einfluß des Chlorgases unterworfen
ist, das durch die Muffe 30 eintritt und im allgemeinen von hier in der Behandlungskammer
25 aufsteigt.
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Eine besonders wirkungsvolle Heizanordnung für die Zone 2o besteht
in Elektroden für den Durchgang von elektrischem Strom durch den Einsatz, der also
durch die Heizwirkung seines eigenen Widerstandes erhitzt wird. Beispielsweise ragen
mehrere Kohlenstoffelektroden 4o in einen oberen Teil der Heizkammer 2o durch in
geeigneter Weise abgedichtete feuerfeste Buchsen 41, während eine gleiche Anzahl
von Elektroden .43 in einen unteren Teil der Heizkammer 2o durch ähnliche feuerfeste
Buchsen 44 hineinragen. Wenn auch verschiedene Zahlen, Formen und Verhältnisse bei
diesen Elektroden zur Verwendung kommen können, so empfiehlt sich doch die Anordnung
von drei zylindrischen Elektroden an jeder Stelle, die horizontal im Winkelabstand
von 12o° nach innen ragen, so daß die größere Elektrodenfläche für jeden Satz mehr
oder weniger zentral zur Kammer gerichtet ist. Demgemäß fließt, wenn eine geeignete
Stromquelle (Gleichstrom oder vorzugsweise Wechselstrom) mit den Elektroden verbunden
wird, wobei die obere Grupe 4o parallel an einer Klemme und die untere Gruppe 43
parallel an der anderen Klemme liegt, ein Strom durch die Koksmenge auf einer Vielzahl
von im wesentlichen vertikalen Wegen.
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Die aufrechte, fortlaufend zylindrische Form des Ofeninnenraumes,
wie er durch die Wandungen 21 und 24 bestimmt ist, erleichtert das Nachrücken
des Einsatzmaterials und bedingt eine geringe Umfangsfläche des Einsatzes. In der
Praxis ist der Ofen erheblich oder wenigstens um ein gewisses Maß höher, als in
der Zeichnung im Verhältnis zum Durchmesser dargestellt. Die größere Länge der Heizkammer
und der Behandlungskammer ist durch die weggebrochenen Zonen 46 und 48 angedeutet.
Die Heizkammer kann auch einen oberen Abschnitt 49 von erheblicher vertikaler Ausdehnung
(vgl. weggebrochene Zone 5o) über dem oberen Elektrodensatz 4o aufweisen. Diese
obere Zone 49 dient als Vorwärmzone, in welcher das eingeführte Einsatzmaterial
sowohl durch Wärmeleitung von dem heißesten Material in dem Raum zwischen den Elektroden
40, 43 als auch insbesondere durch die Wärmeabgabe der zu dem Auslaß 32 aufsteigenden
Abgase in wirtschaftlicher Weise vorgewärmt wird.
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Die Form, die Abmessungen und die sonstigen Verhältnisse des Ofens
können entsprechend den Erfordernissen des Arbeitsvorganges und der Produktionsmenge
sehr verschieden sein. Als Beispiel mögen für eine praktische Ausführung des Ofens
folgende Angaben dienen: Der innere (horizontale) Durchmesser der Kammer 2o beträgt
i m, die Gesamthöhe der unteren Zone 7,5 m, der Raum zwischen den Linien 23 und
22 etwa 3 bis 4,5 m und die Höhe der oberen Kammer von der Linie 22 bis zum Deckel
i i etwa 9 bis 12 m. Die Elektroden 4o, 43 liegen in einem vertikalen Abstand von
etwa 6 bis 7,5 m, und die unteren Elektroden 43 sind dicht über der Linie 22 angeordnet:
Ein solcher Ofen arbeitet mit einer Temperatur von etwa 120o° C am Umfang des Einsatzes
in der Kammer 2o, während der größere Teil des Einsatzes etwa 140o bis 160o° C aufweist,-
und kann bei der Verarbeitung von Koks in guter Handelsqualität einen Ertrag an
hochgereinigtem Kohlenstoff von einer bis zu mehreren Tonnen täglich ergeben.
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Die tatsächliche Arbeitsweise des dargestellten Ofens ist leicht ersichtlich.
Angenommen, der gesamte Innenraum des Ofens sei bis zu einer geeigneten Höhe, etwa
in der Nähe des oberen Endes der Vorwärmzone 49, aufgefüllt, und die Umwandlungstemperatur
sei mit Hilfe des eine ausreichende Zeit lang zwischen den Elektroden fließenden
Stroms erreicht, während der unvollständig behandelte Koks in bestimmten Mengen
nacheinander aus dem Raum 34 entfernt und entsprechende Mengen durch den Trichter
14, 15 geführt wurden, so arbeitet der Ofen im wesentlichen kontinuierlich. Es wird
Chlorgas in konstantem Ström durch das Rohr 28 eingelassen, das durch den heißen
Koks in der Kammer 25 aufwärts steigt und dort mit den Verunreinigungen in wesentlichem
und vorzugsweise größerem Ausmaß reagiert. Wenn das Gas aufwärts steigt, verliert
es allmählich seine Konzentration an Chlor und wird in steigendem Maße mit flüchtigen
oder gasförmigen Produkten, z. B. flüchtigen Chloriden voll metallischen Verunreinigungen
und Kohlenstoffmonoxyd vermischt, so daß sein Chlorgehalt erheblich
verringert
ist, wenn es die Heizkammer 2o durchströmt.
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Wenn auch eine gewisse Reaktion mit dem Mineralgehalt des Kokses tatsächlich
in der Heizkammer 2o, also der Verbrauch eines weiteren Teiles des Chlorgases, eintreten
kann, so ist diese Reaktion doch erheblich geringer als in der unteren Kammer 25.
Die Chlorkonzentration des Gases nimmt fortlaufend ab, bis es den Aus.laß 32 erreicht;
beispielsweise kann es etwa nur 2% Chlor enthalten, wenn es über die Linie 22 strömt,
und etwa o,oi°/o oder weniger, wenn es durch das Rohr 3i abgelassen wird. Aus diesem-Grunde
ist die Zerstörung der feuerfesten Auskleidung 2 1 der gesamten oberen Kammer erheblich
herabgesetzt und tatsächlich in vielen Fällen praktisch vermieden trotz des Reaktionsvermögens
von konzentriertem Chlor bei diesen Temperaturen und in Gegenwart von Kohlenstoff
in Verbindung mit Aluminium und Silizium od. dgl., woraus die feuerfeste Auskleidung
(gewöhnlich Tonerdesilikat) besteht.
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In regelmäßigen und vorzugsweise häufigen Zwischenräumen während des
Arbeitsprozesses werden Teilmengen des fertigen Produktes, das ist gereinigter Kohlenstoff,
aus dem Raum 34 durch die Tür35 abgelassen, und es werden entsprechende frische
Koksmengen durch Betätigung der Klappen 16, 17 od. dgl. zugeführt. Jedesmal, wenn
eine Menge des fertigen Produktes aus dem Raum 34 entnommen wird, rückt die gesamte
Einsatzmenge in dem Ofen nach und bringt eine weitere Menge hocherhitzten Kokses
in die Reaktionskammer 25. Der einmal auf eine Temperatur in der erwähnten Größenordnung
erhitzte Koks behält seine Wärme verhältnismäßig lange Zeit bei, so daß sich geeignete
Bedingungen für eine wirkungsvolle Reaktion in der Kammer 25 ergeben. Wie bereits
gesagt, erfährt die Kohlenstoffauskleidung 24 nur eine geringe oder gar keine Zerstörung
durch das Chlor, während die obere feuerfeste Auskleidung 2 i infolge der zunehmenden
Verdünnung des aufsteigenden Gases geschützt ist. Zugleich gestattet die elektrisch
nichtleitende Auskleidung2i eine wirkungsvolle Heizung mit dem z. B. in Richtung
des Vorschubs durch den Einsatz fließenden Strom, wobei die Stromwege räumlich von
der Kohlenstoffwan.dung 24 entfernt sind, so daß ein Kurzschluß durch den Kohlenstoff,
der das gerade behandelte Material umgibt, verhindert ist.
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Wenn der Arbeitsvorgang auch in Verbindung mit der Behandlung von
gewöhnlichem Koks, z. B. Steinkohlenkoks, beschrieben wurde, so wird doch betont,
daß der Ofen auch für die gleiche Behandlung anderer kohlenstoffhaltiger Materialien
auf Kohlenbasis, z. B. Kahle selbst, insbesondere Anthrazitkohle, verwendet werden
kann. Besteht der Einsatz aus Kohle, so kann der Vorwärmer 49 dazu dienen, die Kohle
wenigstens teilweise zu verkoken, um ihre eleektrische Leitfähigkeit so zu steigern,
daß die gewünschte Heizwirkung durch den zwischen den Elektroden 40, 43 fließenden
Strom erreicht wird.
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Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen
und dargestellten Ausführungen beschränkt ist, sondern daß sie auch andere Ausbildungen
umfaßt, ohne daß der Erfindungsgedanke verlassen wird.