NO157553B - Fremgangsmaate og anordning til oppvarming av et fluidisert skikt ved innblaasning av plasma, til bruk ved syntese av nitrogenoksyder, forgasning av et karbonholdig stoff og reduksjon av malmer. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til oppvarming av et fluidisert skikt såvel som en anordning til utførelse av fremgangsmåten i forbindelse med syntese av nitrogenoksyder, forgasning av et karbonholdig stoff og reduksjon av malmer.'

Som kjent skjer dannelsen av et. fluidisert skikt av et stoff som skal behandles, ved at man bringer stoffet i fast fase og oppdelt i partikler inn i et behandlingskammer, f.eks. en vertikal kolonne, og i denne kolonnes nedre del blåser inn en fluidiserende gass aksialt for å holde partiklene i bevegelse.

På denne måte kan man gjennomføre visse kjemiske reaksjoner i uensartet fase med øket virkningsgrad takket være den stadige bevegelse av de svevende partikler. Fremgangsmåten kan også anvendes til reaksjoner i gassfase, idet det fluidiserte skikt da er et katalytisk skikt dannet av partikler av en reak-sjonskatalysator. Sluttelig kan metoden enn videre anvendes til rent fysiske behandlinger som innkapsling eller tørring av materialer.

Ønsker man å varme opp det fluidiserte skikt til høy temperatur, støter man adskillelige vanskeligheter. Oppvarmningen av fluidiseringsgassen gjør det ikke alltid mulig å nå tilstrek-kelig høye temperaturer, noe som skyldes grensene for den meka-niske fasthet av innblåsningssystemet for gassen og av den rist som i alminnelighet er anordnet ved bunnen av kolonnen for å understøtte det fluidiserte skikt, idet dette element ofte har ømfintlig struktur og risikerer å ødelegges hvis fluidiserings-gassens temperatur er for høy.

Videre vil en oppvarmning via kolonnens vegger ikke kunne sikre både en høy temperatur og en jevn temperaturtordeling i det indre av skiktet.

For å avhjelpe disse mangler og tillate ensartet oppvarmning av det fluidiserte skikt til høy temperatur innbefatter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen å fremstille et plasma ut fra en plasmadannende gass av fastlagt sammensetning, og å blåse inn dette plasma i det fluidiserte skikt i det minste i én retning.

Denne fremgangsmåte kjennetegnes ved de trekk som fremgår av krav 1-10. En anordning til gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til krav 1-7 kjennetegnes ved de trekk som fremgår av krav 11 og 12.

Fortrinnsvis ligger hver innblåsningsretning i et radialplan til kolonnen.

Plasmaet fremstilles ved høyfrekvensinduksjon eller med lysbue og blåses inn under et trykk av størrelsesorden 0,5-10 bar. Imidlertid lar fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen seg også utføre med høyere trykk.

Innblåsningen blir dermed gjennomført uten påtagelig for-styrrelse av fluidiseringen av partikkelsvermen. Den gjensidige gjennomtrengning av de forskjellige gasstrømmer (fluidiseringsgass, plasmadannende gass, eventuelt matning av kolonnen med stoffer som skal behandles) blir optimal, og varmeoverføringen mellom plasmadannende gass og partikler blir meget effektiv takket være den stadige bevegelse av partiklene som fortsetter å svirre på regelrett måte.

Sluttelig blir de vanskeligheter med materialenes hold-barhet ved høy temperatur som man støter på i eldre teknikk, her unngått takket være det forhold at plasmaet med meget høy temperatur forblir begrenset til en sone som strekker seg mellom brenneren (hvor der skjer molekylær dissosiasjon av den plasmadannende gass som gir opphav til plasmaet) og det indre av det fluidiserte skikt (plasmaet når allikevel stadig frem til kjerneområdet av det fluidiserte skikt). Kolonnens vegger såvel som risten ved bunnen og mateanordningen for fluidiseringsgassen forblir skjermet mot de meget høye temperaturer, av størrelses-orden 2000-3000°C, og bare utsatt for temperaturen i det peri-fere område av det fluidiserte skikt.

Således blir plasmaet her anvendt som et varmeformidlende medium som opptar varme fra den benyttede varmekilde (elektrisk lysbue eller plasmabrenner med høy temperatur) og fordeler den så til stoffet som skal behandles. Dermed blir de forskjellige deler av anlegget bare oppvarmet indirekte, og det til temperaturer som de uten vanskelighet kan gjøres holdbare for ved konvensjonelle teknikker.

Dessuten blir denne oppvarmning gjennomført med høyere virkningsgrad enn ved de konvensjonelle metoder: man fastslår ved forsøk at omtrent 95% av den elektriske energi blir over-ført til plasmaet, til forskjell fra en maksimal energivirk-ningsgrad på 70% for de beste brenselbrennere.

Til forskjell fra de kjente metoder til oppvarmning av

et fluidisert skikt med brenselbrenner gjør enn videre det forhold at man er herre over sammensetningen av den plasmadannende gass, som velges reduserende eller oksyderende alt efter anvend-elsene, det mulig for denne å delta i den kjemiske reaksjon som finner sted mellom den plasmadannende gass, fluidiseringsgassen og det suspenderte materiale i det fluidiserte skikt. Plasmabrenneren spi-ller således foruten til energioverføring (med plasma som varmeformidler) også rollen som kjemisk kilde til matning av reaktoren uten dannelse av noe giftig eller generende biprodukt som ved brenselbrennere.

Det lar seg gjøre å gjennomføre en kontinuerlig behandling av materialene. Fortrinnsvis blir plasmaet innblåst av tre brennere anordnet i tre radiale retninger, stort sett symme-trisk med hensyn på kolonnens akse. Matningen med stoffet som skal behandles, kan gjennomføres på et nivå like ved brennernes munninger. Uttak av behandlet stoff skjer ved toppen eller bunnen av det fluidiserte skikt, alt efter de egenskaper mate-rialet antar (økning i tetthet, dimensjonsminskning, spalt-ning ....).

Ytterligere særtrekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå ved lesning av den følgende beskrivelse av et utførel-seseksempel, hvor der henvises til tegningen. Fig. 1 viser vertikalsnitt av en anordning ifølge oppfinnelsen tatt etter linjen I-l på fig. 2. Fig. 2 viser horisontalsnitt av samme anordning tatt etter linjen II-II på fig. 1. Fig. 3 er et skjema over en anordning hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes til syntese av nitrogenoksyder og fremstilling av salpetersyre.

Behandlingskolonnen 10 er anordnet vertikalt og kan ha sylindrisk form. Partikkelskiktet 11 holdes svevende med en fluidiseringsgass som innblåses (pil A) fra kolonnens nedre del i aksial retning gjennom en ledning 12. En rist 13 understøtter det fluidiserte skikt og forhindrer tilstopning av ledningen 12 .

Kolonnen er foret innvendig med en ildfast kledning 18. Dessuten er den forsynt med en kjøleanordning for veggene, særlig overfor munningen av plasmabrenneren 20, f.eks. ved hjelp av en kjølekrets, antydet skjematisk ved 16, med sirkulerende vann.

Det kan forøvrig være gunstig å sørge for forvarmning

av fluidiseringsgassen, f.eks. med en elektrisk motstand 17 plassert i ledningen 12.

Det vil ses på fig. 1 at fluidiseringsgassen blir innblåst stort sett langs kolonnens akse gjennom et rør som har lite tverrsnitt og vider seg ut til det når kolonnens tverrsnitt ved en konvensjonell utformning. Til forskjell fra den konvensjonelle anordning, hvor risten sitter ved overkanten av det utvidede parti, foretrekker man på gunstig måte å anbringe risten 13 foran dette parti, altså på et sted av røret med lite tverrsnitt.

Dette gir en betydelig konveksjonsbevegelse av det fluidiserte skikt i kolonnens akse, altså ved enden av plasmafakkel-en, hvor temperaturen er høyest.

Behandlingskolonnen kan likeledes omfatte ledningsløp henholdsvis 14 til mating med stoffet som skal behandles, (pil B) og 15 til avsugning av behandlet stoff (pil C). Det blir dermed mulig å gjennomføre en kontinuerlig behandling av stoffet (i tilfellet av at stoffet som skal behandles, blir fullstendig forbrukt i behandlingskolonnen, blir det overflødig å ta ut faste produkter, og ledningsløpene 14 og 15 kan begge tjene til mating av det fluidiserte skikt).

En plasmabrenner 20 gjør det mulig å blåse inn en plasmadannende gass (pil D) gjennom et ledningsløp 21. Molekylene av denne gass blir dissosiert i positive ioner og elektroner takket være et elektromagnetisk vekselfelt med høy frekvens av størrelsesorden 10-40 GHz og frembragt med induksjonsvind-inger 22 for å danne et plasma 23 med meget høy temperatur.

Dette plasma blir ved hjelp av brenneren innblåst under innfallsvinkler (i forhold til kolonnens akse) og 0 (i forhold til matningsretningen for stoffet som skal behandles) som kan variere avhengig av driftsparametrene i det indre av skiktet av svevende partikler.

Fortrinnsvis utgjør vinkelen mellom 45 og 90° (benyt-ter man flere brennere, er det ønskelig å unngå at de virker mot hverandre, noe som vil være tilfellet ved en vinkel T nær 90°) og vinkelen 0 mellom 30 og 90°.

Til forskjell fra dette er det for å oppnå større varme-mengder mulig å frembringe plasmaet ikke ved høyfrekvensininduk-sjon men med en elektrisk lysbue som brenner mellom to elek-troder. Likeledes er det mulig som variant å benytte en fler-het av plasmabrennere, f.eks. tre brennere plassert i samme vinkel "f i forhold til kolonnens akse, men jevnt fordelt rundt denne med en radial symmetri på 12 0°.

Sluttelig blir gassene (fluidiseringsgass, gassformede reagenser....) avtatt ved toppen 19 av kolonnen.

Eksempel I

Ved en anvendelse av oppfinnelsen var plasmabrenneren sammensatt av et kvartsrør med diameter 30 mm og fem induksjons-vindinger plassert i en avstand av 10 mm fra det fluidiserte skikt samt matet av en generator med en høyfrekvens av 40 MHz, som markedsføres av selskapet DURR. En slik generator gjør det spesielt mulig å fremstille luftplasmaer med liten effekt (2-4 kW).

Plasmaet, som var et argon- eller luftplasma, ble innblåst ved trykk nær atmosfæretrykket og i strømningsmengder som vari-erte mellom 10 og 30 1 pr. min.

Det fluidiserte skikt ble understøttet innenfor et kvarts-hylster med diameter 80 mm ved hjelp av en rist av metallblikk. Fluidiseringen av partiklene ble tilveiebragt med en gass hvis volumhastighet avhang av størrelse og tetthet av partiklene.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen er anvendelige for tallrike behandlinger av materialer, noe der i det følgende vil bli gitt tre ikke-begrensende eksempler på. Man kan også ta sikte på rent fysiske behandlinger som tørring eller innkapsling av materialer.

Eksempel II

Som en første mulighet kan oppfinnelsen anvendes til syntese av nitrogenoksyder ved nitrering i fluidisert skikt. I dette tilfelle er fluidiseringsgassen oksygen eller luft, og den plasmadannende gass er nitrogen eller en blanding av nitrogen og oksygen (luft anriket på oksygen). Kornene i det fluidiserte skikt består da av en katalysator for oksydasjonen av nitrogen. Valget av gasstrømningsmengder og sammensetninger av fluidiserings- og plasmadannende gasser gjør det mulig å opti-mere de respektive mengder av nitrogen og oksygen som blåses inn i reaktoren. Det gjør det likeledes mulig å innstille tempera-turgradienten mellom blandingen i det område hvor den varmes av plasmaet (til temperatur av størrelsesorden 2000-5000°) og den midlere temperatur av katalysatorskiktet der hvor nitreringen inntrer (av størrelsesorden 1000°C).

Det fluidiserte katalytiske skikt under plasma utøver dermed en tredobbelt funksjon: sammenblanding av reagensene (ved mekanisk medrivningsvirkning), katalyse av den kjemiske reaksjon og sluttelig varmebehandling av reaksjonsblandingen i hvirvelreaktoren.

Nærmere bestemt ble der benyttet en anordning som beskre-vet i eksempel I, og volumhastigheter av fluidiseringsgass på 12 l/min. og av plasmadannende gass på 13 l/min., noe som ga en utgangsstrøm for gassene på 25 l/min. ved toppen av kolonnen (de angitte volumhastigheter er referert til normale til-stander med hensyn til temperatur og trykk).

Med sikte på en resirkulering av de varme utgangsgasser fra reaktoren ble der tilføyet en forvarmning av fluidiseringsgassen med 250 W ved hjelp av en elektrisk motstand regulert med en reostat. Et metallhylster rundt kvartsrøret sikrer av-tetning av anordningen.

Som katalysator ble der anvendt 4% NiO, 25% WO^ og en bærer av aluminiumoksyd. Korngraderingen ble valgt mellom 207 og 250 um. Den anvendte mengde var 50 g. Et eksempel på sammensetning av gassen ved inngangen til og utgangen fra reaktoren er gitt i følgende tabell:

I betraktning av disse volumhastigheter og brennerens utnyttede effekt, som var 3 kW, var den induserte energi i dette eksempel 2,1 Kcal/l samlet gass, og energien til produksjonen var 2 0 kWh/kg HN03.

Fig. 3 er et oversiktsskjerna av en anordning til produk-sjon av nitrogenoksyder og HNO^ ved denne fremgangsmåte: reaktoren 100 med fluidisert skikt oppvarmes med f.eks. tre plasmabrennere 101,102,103, mens den plasmadannende gass er luft.

De gassformede produkter tas ut gjennom en ledning 104 til

en første varmeveksler 105 med høy temperatur (1500-2000°C), hvor de avgir en del av denne varme til fluidiseringsgassen, som derved forvarmes. En annen varmeveksler 106 med midlere temperatur (1000-1500°C) gir en tilleggsavkjøling av de gassformede produkter samtidig som den i tillegg gjør det mulig å produsere f.eks. høytrykksdamp for diverse anvendelser.

De gassformede produkter (hvis temperatur dermed er senket til en verdi under 300°C) blir så ledet til en cyklonseparator 107 som gjenvinner de medførte fine partikler av det fluidiserte skikt som stadig er suspendert i de gassformede produkter. Disse blir så ledet til et vasketårn 108 som mates med luft og vann gjennom ledninger henholdsvis 109 og 110. I vasketårnet blir nitrogenoksydene omdannet til salpetersyre. Forøvrig blir atmosfæren i vasketårnet (luft eller nitrogen/oksygenblanding) tappet ut og anriket i passende proporsjoner med luft eller oksygen tilført gjennom en ledning 111. Den resulterende blanding blir komprimert i en kompressor 112 og derefter igjen oppvarmet i den ovennevnte høytemperatur-varmeveksler 105 før den på ny blåses inn i reaktoren 100, hvor den således danner fluidiseringsgassen.

Eksempel III

Som en annen mulighet kan oppfinnelsen anvendes til forgasning av et karbonholdig stoff (f.eks. stenkull) ved damp-krakking. Fluidiseringsgassen er da allerede overopphetet vanndamp (som normalt) og den plasmadannende gass hydrogen (eller en blanding av vanndamp og hydrogen) som danner reduksjonsgas-sen. På denne måte kan den kjemiske sammensetning av gassen ved inngangen til reaktoren ha et forhold K^/ O^ varierende mellom 2 og 5.

Det fluidiserte skikt utgjøres av det karbonholdige stoff som ved en forutgående nedmaling er bragt på kornform (300-800 pm). Temperaturen av det fluidiserte skikt er av størrelses-orden 2000-2500°C (som gir en raskere pyrolyse i fravær av tjære-rester) for en temperatur av plasmaet av størrelsesorden 4000-6000°C (spaltningen av vannmolekylet ble effektiv fra 3000°C).

Til forskjell fra den førstnevnte anvendelse ble det fluidiserte skikt her forbrukt av plasmaet. Der behøves således en kontinuerlig forsyning av skiktet. En slik kontinuerlig drift var ikke mulig med konvensjonelle teknikker, hvor det var nød-vendig å la cyklusene til oppvarming av karbonholdig stoff med brenner skifte med cykluser til oppvarmning av dampen.

Utgangsgassene fra reaktoren inneholder vesentlig hydrogen, acetylen, nitrogenmonoksyd og etylen.

Når der ved utgangen fra reaktoren stadig finnes fine partikler som skriver seg fra stenkullpartiklene efter reak-sjonen med gassene og den fremadskridende minskning i kornstør-relse, kan disse partikler lettvint gjenvinnes med cyklonseparator.

Denne fremgangsmåte muliggjør et utbytte av stenkullom-dannelsen av størrelsesorden 90%.

Eksempel IV

For det tredje kan oppfinnelsen anvendes til reduksjon

av malmer eller andre materialer i form av granulater. Disse materialer blir kontinuerlig innført i det fluidiserte skikt, slik at de blir oppvarmet med plasmaet til en temperatur som tillater reduksjon, idet den plasmadannende gass er en reduserende gass som f.eks. hydrogen.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til oppvarming av et fluidisert skikt (11), hvor et stoff på partikkelform føres inn i en vertikal behandlingskolonne (10) og holdes svevende i denne ved aksial inn-føring av fluidiseringsgass i kolonnens nedre del, karakterisert ved at ved at det produseres et plasma (23) fra en plasmadannende gass med fastlagt sammensetning og at dette plasma injiseres i det fluidiserte skikt (11) i minst én retning, idet retningen danner en vinkel med hensyn på behandlingskolonnens (10) akse eller er perpendikulær på denne akse, slik at plasmaet injiseres direkte i det fluidiserte skikt (11), fra utsiden av kolonnen (10) og over den nedre del av kolonnen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at injiseringen av plasma (23) foretas slik at hver injiseringsretning ligger i et radialplan av kolonnen (10).

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert ved at plasma (23) injiseres med et trykk mellom 0,5 og 10 bar.

4. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at plasma (23) injiseres slik at hver injiseringsretning danner en vinkel ($ > ) på mellom 45 og 90° med kolonnens (10) akse.

5. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 2-4, karakterisert ved at det partikkelformede stoff føres inn i behandlingskolonnen (10) i en retning som danner en vinkel ( 8 ) på mellom 30 og 90° med det r.adialplan som inneholder en injiseringsretning for plasmaet (23).

6. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 2-5, karakterisert ved at plasmaet (23) injiseres i tre radiale retninger stort sett symmetriske med hensyn på kolonnens (10) akse.

7. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 1-6, karakterisert ved at det partikkelformede stoff kontinuerlig føres inn i og tas ut fra det fluidiserte skikt 11.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-7, anvendt for syntese av nitrogenoksider, karakterisert ved at fluidiseringsgassen er luft eller oksygen, den plasmadannende gass er nitrogen eller en nitrogen/oksygenblanding, og at det partikkelformede stoff er en katalysator for en nitrogenoksidasjonsreaksjon.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-7, anvendt for forgassing av det karbonholdige stoff ved hjelp av vanndamp, karakterisert ved at et karbonholdig stoff etter å ha vært bragt på partikkelform ved forutgående nedmaling kontinuerlig tilføres det fluidiserte skikt (11) at den plasmadannende gass inneholder hydrogen, og at fluidiseringsgassen inneholder vanndamp.

10. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-7, anvendt på reduksjon av et stoff i form av partikler, karakterisert ved at dette stoff kontinuerlig innføres i den fluidiserte skikt (11) og at den plasmadannende gass inneholder hydrogen.

11. Anordning til utførelse av en fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-7, idet anlegget omfatter en vertikal behandlingskolonne (10), et rør (12) til aksial injisering av en fluidiserende gass i den nedre del av kolonnen og et rør (14) for å mate kolonnen med et stoff i form av partikler, karakterisert ved at det dessuten omfatter en plasmabrenner (20) for å fremstille et plasma fra en plasmadannende gass og for å injisere plasmaet inn i det fluidiserte skikt (11) inneholdt i kolonnen ved minst én retning som danner en vinkel med hensyn på behandlingskolonnens akse eller er perpendikulær på aksen, idet materøret (14) er anordnet på et nivå like ved der hvor plasmaet injiseres i det fluidiserte skikt.

12. Anordning i henhold til krav 8, karakterisert ved at det omfatter et rør (12) med lite tverrsnitt som utvider seg inntil det når behandlingskolonnens tverrsnitt, innrettet til å injisere fluidiseringsgassen tilnærmet langs aksen av behandlingskolonnen (10), og at en rist (13) er anordnet ved munningen av røret (12) oppstrøms for det utvidede parti.