Verfahren zur Durchführung von chemischen oder physikalischen Prozessen mit Stoffen in disperser Form in der Wirbelschicht eines aufwärts gerichteten Gas- oder Dampfstromes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Verfahren zum Behandeln von feinzerteilten Stoffen mit Gasen in wirbelnder Suspension sind bekannt. Insbesondere für feste Stoffe wird das Wirbelschichtverfahren benutzt, bei dem die wirbelnde Suspension eine obere und eine untere Grenzfläche hat. Als untere Grenzfläche dient gewöhnlich ein Rost oder eine poröse gasdurchlässige Unterlage.
Es sind auch Verfahren bekannt, die ohne eine feste untere Begrenzung arbeiten, bei denen die Wirbelsuspension in einem konischen rostlosen Raum aufrechterhalten wird. Bei diesem Verfahren ruht die Suspension zum Teil auf dem Gaspolster des eintretenden Gases, zum grössten Teil aber auf den schrägen seitlichen Begrenzungswänden auf.
Die Nachteile der mit einer festen gasdurchlässigen Unterlage arbeitenden Verfahren bestehen vor allem in ungleichmässiger Durchwirbelung, da sich die Abschirmung des Trägergasstromes durch die Roststäbe über eine beträchtliche Höhe der Wirbelschicht durch tote Zonen auswirkt. Man erkennt dies sofort daran, dass der Druckverlust innerhalb solcher Wirbelschichten geringer ist, als dem hydrostatischen Gewicht der darüber befindlichen Schicht entspricht. Bei wärmeverbrauchenden Prozessen, denen die Wärme durch das Trägergas ganz oder teilweise zugeführt wird, treten leicht Überhitzungen auf.
Die bis jetzt bekanntgewordenen Wirbelverfahren ohne gasdurchlässig feste Unterlage haben den Nachteil, dass infolge des Aufruhens der Suspension auf den Schrägen Wänden tote Zonen gebildet werden, die schlecht durchwirbelt sind. Da infolgedessen eine vollständige Behandlung in einer Wirbelschicht auf diese Weise im kontinuierlichen Prozess nicht möglich ist, hat man auch schon mehrere derartige Wirbelsuspensionen übereinander angeordnet, bei denen ohne Anwendung von Rosten gearbeitet wird und das zu behandelnde feste oder flüssige Material verschiedene Behandlungszonen nacheinander durchlaufen lassen. Dabei wird in jeder einzelnen Suspension der gleiche Prozess, allerdings wegen der schlechten Wirksamkeit nur unvollkommen, durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Durchführung von chemischen oder physikalischen Prozessen mit festen oder flüssigen Stoffen in disperser Form unter Bildung einer Wirbelschicht in einem nach oben zu erweiterten Schacht mit nach oben zu zunehmendem Öffnungswinkel durch einen aufwärts gerichteten Gas- oder Dampfstrom, bei welchem die Suspension weder auf einer gasdurch Iässigen Unterlage noch auf seitlichen Begrenzungswänden ruht, das heisst vollkommen freischwebend ist und die Bildung toter Zonen vollkommen vermieden wird.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine völlig freischwebende, nur auf einem Gaspolster ruhende Wirbelschicht dadurch gebildet wird, dass der Öffnungswinkel nach der Höhe derart zunimmt und ausserdem die Geschwindigkeit des Gas- oder Dampfstromes so gewählt ist, dass wenigstens über den grössten Teil der Höhe die Strömung nicht von der Wand abreisst. Der Öffnungswinkel nimmt also in der Weise zu, dass zumindest auf einer grossen Strecke im untern Teil eine Diffusorwirkung auftritt. Infolge der Anwesenheit der Suspension können aber grössere Öffnungswinkel gewählt werden als bei nur von Gas durchströmten Diffusoren, so dass die Strömung überall die Wände bestreicht. Jedoch sollte der Öffnungswinkel in jedem Falle kleiner als etwa 45" sein.
Der Umstand, dass der Öffnungswinkel nach oben zunimmt, ermöglicht es, bei einer gegebenen Bauhöhe bei optimaler Durchwirbelung, also unter Vermeidung toter Zonen, das Maximum an Behandlungsvolumen unterzubringen. Ebenso wird dadurch ermöglicht, einen durch die notwendige Verweilzeit gegebenen Vorrat an Behandlungsgut mit einem Minimum an Energieaufwand zu behandeln, da infolge der Diffusorwirkung der Druckverlust minimal ist und die Bauhöhe, die ebenfalls für den Druckverlust massgeblich ist. besonders niedrig gehalten werden kann.
Die Zunahme des Öffnungswinkels nach oben zu muss nicht kontinuierlich erfolgen, da bereits eine angenähert kontinuierliche, absatzweise Ausbildung der Gefässwand beinahe einen gleichguten Effekt gibt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine für die bisher bekannte Ausführungsform rostloser Wirbelschichtprozesse verwendete Apparatur. Sie weist einen konischen Raum auf, dessen Begrenzungswände mit 1 bezeichnet sind. Das Trägergas wird bei 2 eingeführt.
Es bildet sich zwar ein durchwirbelter Kern 3 aus, in dessen Zentrum ein Springbrunneneffekt 4 auftritt, doch bleibt der Hauptteil des Materials in den toten Zonen 5 undurchwirbelt liegen. Infolgedessen schliesst sich bei allen zur Anwendung gekommenen technischen Wirbelprozessen die eigentliche Wirbelschicht in einem gegenüber dem Gefässdurchmesser enger begrenzten schachtförmigen Raum in mit der Höhe konstantem Querschnitt an. Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird nun eine Vorrichtung verwendet, deren Begrenzungswände des Apparates im wesentlichen den Grenzen 6 des gut durchwirbelten Teiles folgen. Da die toten Zonen 5, die zwar nicht durchwirbelt sind, aber doch eine beträchtliche Menge Gas durchlassen, in Fortfall kommen, wird dadurch auch der Kern noch besser durchwirbelt.
Es ist vorteilhaft, den Gaseintritt auch unterhalb der Wirbelsuspension selbst düsenförmig auszugestalten, das heisst etwa entsprechend der Begrenzung 7 und das Gas bei 8 zuzuführen.
Die Zu- und Abfuhr des festen bzw. flüssigen Materials kann an beliebigen Stellen kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Beispiel I
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäss der Erfindung, die sich beim Rösten sulfidischer Erze bewährt hat. Sie weist einen diffusorartigen Teil 1 auf, in dem sich die schwebende Festkörper-Gassuspension befindet. Darüber schliesst sich eine Erweiterung 2 als Bremszone und ein ausgemauerter Schacht 3 an, in dem hochgeblasene Bestandteile des Schwebebettes wirksam nachrösten können. Unterhalb des konischen Teils befindet sich ein düsenförmiger Einlauf 4 mit einem Verschluss 5. Die sauerstoffhaltigen, zum Rösten benötigten Gase, welche gleichzeitig auch als Trägergas dienen, werden bei 6 eingeleitet und verlassen bei 7 den Reaktor. Das abzuröstende sulfidische Erz wird in dem Bunker 8 aufbewahrt und gelangt über eine Telleraufgabe durch den Schacht 9 in das Schwebebett. Bei 10 befindet sich ein Austragsrohr, welches in einen Verschluss 11 ausmündet.
Der konische Teil, in dem hauptsächlich die Reaktion stattfindet, ist mit einem Kühlmantel 12 versehen, durch welchen bei 13 Kühlwasscr einund bei 14 fortgeleitet werden kann. Das Erz kann bei Temperaturen unterhalb des Sinterpunktes abgeröstet werden, wobei das Erz bei 9 zugeführt wird und der Abbrand bei 10 abfliesst. Je nach den Reaktionsbedingungen und der Beschaffenheit des abzuröstenden Erzes fällt ein Teil des Abbrandes in Form von Flugstaub im Abgas an und kann daraus z. B. mit Zyklonen, Absetzkammern oder Heisselektrofiltern vom Gas abgetrennt werden. Anstelle oder zusätzlich zum Überlaufaustrag 10 kann auch der Austrag 4 benutzt werden, wobei das Herabfallen des Röstgutes entweder von selbst erfolgt oder durch kurzzeitiges, zeitlich periodisches Herabdrosseln der Trägergasmenge bewirkt werden kann.
Durch die grösseren Partikelabstände im Schwebebett sind viel höhere Rösttemperaturen zulässig, und das Schwebebett wirkt nicht wie das Fliessbett kornzerkleinernd, sondern eher agglomerierend, so dass der mit dem Gas mitgeführte Anteil also grobkörniger ist und mit mechanischen Staubabscheidern nahezu restlos aus dem Gas entfernt werden kann. Sollen sehr feinkörnige Flotationserze nichtagglomerierend abgeröstet werden, so kann es vorteilhaft sein, dem Schwebebett gröbere Anteile zuzufügen. Diese können z. B. aus agglomeriertem Abbrand oder auch aus inertem Material bestehen. Durch die Anwesenheit gröberer Anteile erzielt man meist eine bessere Stabilität des Schwebebettes.
Für die Röstung von Zinkblende arbeitet man vorteilhaft bei so hohen Temperaturen, dass eine ausgesprochene Agglomeration eintritt. Dann wird im allgemeinen der Ablauf bei 10 nicht mehr benötigt und der Abbrand fällt in Form von agglomerierten Klümpchen, deren Grösse durch die Trägergasgeschwindigkeit variierbar ist, in den Raum 4 und kann bei 5 ausgetragen werden. Man kann hierbei ohne weiteres Flotationserze neben evtl. gemahlenen nicht flottierten Erzen verarbeiten, und der Ofen lässt sich den verschiedensten Erzsorten ohne Umstellung anpassen. Das Trägergas kann im allgemeinen aus Luft bestehen, es kann aber auch vorteilhaft sein, mit Sauerstoff angereicherte Luft zu benutzen.
Falls die Erzeugung von hochkonzentriertem oder 1000/obigem Schwefeldioxyd gewünscht wird, kann so gearbeitet werden, dass ein Teil des Röstgases zurückgeführt und mit Sauerstoff gemischt dem Ofen wieder zugeführt wird. Ganz allgemein lässt sich die Wärme der Röstgase z. B. in Form von Abhitzedampf gewinnen, wobei es günstig ist, dass hierbei die Röstgase mit besonders hoher Temperatur anfallen. Es kann aber auch die Wärme, die dem Abbrandschwebebett direkt entzogen wird, zur Dampferzeugung benutzt werden, wobei entweder der Doppelmantel 14 als Dampfkessel ausgebildet wird, oder indem man das Kühlmittel durch Rohrschlangen, welche an der Wand des Konus 1 anliegen, unter Druck durchleitet.
Es ist auch möglich, zusätzliche Kühlelemente im Schwebebett etwa in Form von Rohrschlangen oder senkrechten Röhren- bzm. Rippenkühlern anzuordnen.
In der Vorrichtung lassen sich auch Antimonerze abrösten, wobei das entstehende Antimonoxyd flüchtig wird und aus dem Röstgas durch Abkühlung gewonnen werden kann. Hierbei ist es nicht erforderlich, unterhalb der relativ niedrigen Temperatur, bei der Antimonoxyd/Antimonsulfid-Gemische schmelzen, zu arbeiten.
Beispiel 2
Eine weitere zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform hat sich insbesondere für Röstprozesse bewährt, bei denen leichterflüchtige Sulfide von schwererflüchtigen getrennt werden sollen, wie z. B. beim Abrösten von bleihaltigen Sulfiden.
Es sind zwei Schwebebetten räumlich übereinander vorgesehen, wobei in beiden Behandlungszonen zwei verschiedene Prozesse stattfinden, die jeweils in einer Wirbelschicht vollständig durchgeführt werden, wobei der zu behandelnde Feststoff im Gegenstrom zum Gas die beiden Behandlungszonen durchläuft.
Bei der Abröstung bleihaltiger Zinkerze erfolgt in der obern Schicht das Abdestillieren des Bleisulfides durch ein praktisch sauerstofffreies Röstgas, während in der untern Suspension die Abröstung des Zinksulfides aus dem bereits entbleiten Gut erfolgt.
Wie aus der Figur ersichtlich, erfolgt die Zunahme des Öffnungswinkels der Reaktoren nach oben zu diskontinuierlich in zwei Stufen. Die Vorrichtung weist einen sich erweiternden Teil 15 auf, in welchen das bleihaltige Zinksulfid durch das Rohr 17 eingetragen und in Schwebe gehalten wird.
Darüber schliesst sich ein zylindrischer Schacht 16 an, in dem die gegebenenfalls hochgeblasenen Anteile mit dem Trägergas ausreagieren können. Als Trägergas wird heisses, praktisch sauerstofffreies Röstgas, welches aus dem untern Teil der Vorrichtung stammt, durchgeleitet. In diesem heissen sauerstofffreien Gasstrom verflüchtigt sich das Blei als Sulfid. Das bleifreie Zinksulfid kann durch den Überlauf 18 über gegebenenfalls automatisch gesteuerte Verschlusskappen 19 durch den Schacht 20 dem untern konischen Teil 21 zugeführt werden, wo die Abröstung zu Zinkoxyd vermittels des sauerstoffhaltigen Trägergases erfolgt. In dem zylindrischen Schacht 22 können die hochgeblasenen Sulfidteilchen nachrösten. Der Austrag kann entweder durch den Cberlauf 25 oder durch die Düsenerweiterung 23 und den Verschluss 24 erfolgen.
Das Trägergas wird bei 26 eingeleitet und bei 27 aus dem Apparat abgezogen und über Abhitzekessel und eine Kühlvorrichtung einer elektrischen Gasreinigung, in der das Bleisulfid abgeschieden werden kann, zugeführt. Es ist aber auch möglich, durch erneute Sauerstoffzufuhr das Bleisulfid in einer Nachverbrennungskammer zu verbrennen und einen Oxydstaub zu gewinnen. Dieser zweistufige Apparat besitzt gegenüber den bekannten zweistufigen Fliessbettreaktoren grosse Vorteile, und zwar können
1. im untern Röstofen so hohe Temperaturen er reicht werden, dass die klebrige Beschickung kaum mehr zum Stauben neigt, und
2. durch im untern Teil anfallenden Staub keine
Verstopfungen im obern Teil mehr eintreten, wie dies bei einem mit Rosten oder Düsenplatten versehenen Fliessbettofen der Fall ist.
Es ist auch möglich, den untern Teil als normalen Wirbelschichtofen auszubilden und nur den obern Teil in der angegebenen Weise zu gestalten. Ganz allgemein ist auch der Druckabfall in einem erfindungsgemäss erzeugten Schwebebett nicht so hoch wie in aufruhenden Fliessbetten; daher braucht man auch nicht so viel Feststoff dauernd hochzuwirbeln, da durch die intensivere Bewegung der Partikel eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit erzielt wird und demgemäss kleinere Verweilzeiten angewandt werden können.
Beispiel 3
Ein besonderer Vorteil ergibt sich auch bei Kombination eines Schwebebettreaktors der beschriebenen Art mit einem Drehrohr, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Schwebebettreaktor weist eine kontinuierliche Zunahme des Öffnungswinkels nach oben zu auf. Die Vorrichtung weist ein Drehrohr 28 auf, welches etwas kürzer gehalten werden kann, als es bei Drehrohren üblicherweise der Fall ist und in welches vorteilhaft schaufelartige Wender eingebaut sind.
Das Material wird bei 29 dem Drehrohr aufgegeben, durchwandert dasselbe und fliesst in einen Verschluss kasten 30, der gegebenenfalls automatisch geöffnet und geschlossen wird, und gelangt von dort durch das Fallrohr 31 in den konischen Teil 32 des Schwebereaktors, der wieder mit Nachreaktionsschacht 33, Uberlaufaustrag 34 bzw. Austrag 35-36 versehen ist. Das Trägergas wird bei 37 dem Schwebebettreaktor zugeführt und verlässt bei 38 die Apparatur. Der Vorteil der Kombination Schwebebettreaktor/Drehrohr besteht vor allem darin, dass der Wärmeinhalt der den Schwebebettreaktor verlassenden Gase im weiten Masse im Drehrohr für die Reaktion selbst nutzbar gemacht werden kann.. Die Apparatur kann beispielsweise zur Durchführung eines Verfahrens zur Austreibung von Zinn aus pyritischen Konzentraten dienen.
Die zinnhaltigen pyritischen Konzentrate werden bei 29 dem Drehrohr 28 aufgegeben. Dort kommen sie mit heissen Röstgasen, die dem Schwebebettreaktor entstammen, innig in Berührung, wobei ein Gemisch von Schwefel und Zinnsulfid abdestilliert. Die praktisch aus Magnetkies bestehenden Austräge des Drehrohres gelangen nun über das Fallrohr 31 in den Fliessbettreaktor und werden dort mit sauerstoffhaltigen Gasen zu FeÓa abgeröstet, wobei man mit der Rösttemperatur ausserordentlich hoch gehen kann. Das bei 38 austretende Gemisch von Schwefeldampf und Zinnsulfid kann dann nach bekannten Methoden, gegebenenfalls nach einer Nachverbrennung, verarbeitet werden, wobei das Zinnsulfid entweder direkt oder evtl. als Oxyd gewonnen wird.
Der Wärmehaushalt des Apparates lässt sich vorteilhaft dadurch steuern, dass ein Teil des vom Zinn befreiten Abgases bei 37 dem Schwebebettreaktor zugeführt wird, dort die überschüssige, bei normalen Röstvorgängen durch Kühlung abgeführte Reaktionswärme aufnimmt und sie der Beschickung des Drehrohres zuführt. In dieser Vorrichtung ist es z. B. auch möglich, Pyrite unter teilweiser direkter Gewinnung des Schwefels abzurösten. Es kann z. B. ganz allgemein von Vorteil sein, einen derartigen Schwebebettreaktor in bereits bestehende Drehrohranlagen einzubauen, wodurch man eine beträchtliche Leistungssteigerung des Drehrohres erzielen kann.
Beispiel 4
Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich in einer Vorrichtung, wie sie Fig. 5 zeigt, durchführen. Der Schwebebettreaktor weist einen konischen Teil 39, in dem das Schwebebett sich ausbildet, einen Nach reaktionsschacht 40 und eine Einlaufdüse 41 auf.
Bei 42 ist ein Austrag vorgesehen. Das Trägergas wird bei 43 eingeführt und verlässt bei 44 die Vorrichtung. Bei 45 und 46 können verschiedene feste bzw. auch flüssige Medien eingetragen werden, während bei 47 ein direkter Austrag aus dem Schwebebett vorgesehen sein kann. Die Vorrichtung eignet sich besonders für wärmeverbrauchende Reaktionen, bei denen Brennstoff, z. B. Kohle, zugeführt wird. Das Endprodukt kann hierbei als gesintertes Material oder aber auch als ungesintertes Material durch den Austrag 47 aus dem Schwebebett abgezogen werden. Beispielsweise ist es hierbei möglich, Zement, Kalk, Dolomit, Sulfate, Silikate, Phosphate, Bauxit usw. zu brennen bzw. zu glühen. Hierbei wird das Material vorzugsweise bei 45 eingeführt, während bei 46 Brennstoff, z. B. Kohle, zugeschleust wird.
Als Trägergas kann man Luft, vorteilhaft aber reinen Sauerstoff bzw. mit Sauerstoff angereicherte Luft verwenden. Die aufgegebene Korngrösse, die Verweilzeit und die Temperatur in der Suspension werden so aufeinander abgestimmt, dass die Reaktion im gewünschten Masse verlaufen kann. In einem solchen Reaktor kann auch die Reduktion von Gips unter Gewinnung von schwefeldioxydhaltigen Gasen und einem zementartigen Klinker durchgeführt werden. Hierbei wird der Gips mit den in der Regel erforderlichen silikatischen Zuschlagstoffen bei 45 eingetragen, während bei 46 die Brennstoffzufuhr erfolgt. Der Wärmeinhalt der Abgase kann dabei wieder nutzbar gemacht werden. Wird bei 41 ausgetragen, so gibt das herunterfallende Gut längs seines Weges nach 41 den grössten Teil seines Wärmeinhaltes an die Trägergase ab.
Beispielsweise lässt sich in einem Reaktor ge mäss Fig. 5 auch die unmittelbare Gewinnung vom Schwefel aus Pyriten durchführen. Hierbei wird Pyrit und Kohle eingetragen und mit sauerstoffhaltigem Gas behandelt. Es gelingt hierbei, durch eine zusätzlich am konischen Teil 39 anzubringende Kühlung die Reaktionstemperatur so niedrig zu halten, dass der Austrag noch nicht zu metallischem Eisen reduziert wird. Das Abgas enthält den Schwefel des Pyrits in Dampfform neben einem Gemisch von Kohlenoxyden. Gebildetes Schwefeldioxyd und andere Schwefelverbindungen können an einem nachgeschalteten Aluminiumoxydkontakt zu Schwefel umgesetzt werden.
Es ist auch möglich, mit Hilfe von Kohle, aber auch mit andern Reduktionsmitteln, Erze oder z. B. metalloxydhaltige Abfallprodukte zu Metall zu reduzieren, welches sowohl dampfförmig wie flüssig oder auch fest anfallen kann.
Beispiel 5
Dass das erfindungsgemässe Verfahren auch vorteilhaft zur Granulation feinverteilter Stoffe verwendet werden kann, geht aus dem anhand der Fig. 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor. In dieser Vorrichtung wird durch die Aufgabe 48 eine noch krümelige Mischung aus Kieselgur und Wasserglas in den sich erweiternden Schacht 49 eingetragen.
Hier bildet sich mit Hilfe des bei 50 eingeleiteten, twa 3509C heissen Trägergasstromes ein Schwebebett aus. In das Schwebebett wird durch die Düse Si z. B. Schwefelsäure fein verteilt eingebracht. Diese bewirkt eine Granulation der Krümel, welche in Form sehr gleichmässiger Kugeln bereits trocken nach unten sinken und bei 52 ausgetragen werden können. Über dem Schwebebett ist eine Erweiterung 53 vorgesehen, in der hochgeschleuderte Teilchen abgetrennt werden. Zur restlosen Entstaubung ist noch vor dem Abgasaustritt 55 ein Staubabscheider 54 angeordnet.
Die gebildeten Kugeln sind porös und eignen sich z. B. als Träger für Katalysatoren.
Der zu granulierende feste Stoff wird in Form einer Lösung eingesprüht. Hierbei wird die Zerstäuberdüse 51 zweckmässig etwas höher in den Schacht 53 angeordnet. Vor Inbetriebnahme wird der Diffusor 49 mit anderweitig beschafftem Granulat von einer etwas kleineren Korngrössc, wie sie der Apparat später produzieren soll, gefüllt und durch heisses Trägergas zum Schweben und Wirbeln gebracht.
Dann wird die Lösung eingedüst. Bei entsprechender Wärmezufuhr verdampft das Lösungsmittel, und der Festkörper schlägt sich zum Teil auf den Körnern des Schwebebettes nieder. Wenn sie die gewünschte, durch die Gasgeschwindigkeit am untern Teil des Diffusors bestimmte Korngrösse erreicht haben, werden sie aus der Apparatur ausgetragen. Gleichzeitig bilden sich genug neue Keime, so dass der Prozess kontinuierlich weiterlaufen kann. Die Korngrössen sind in weiten Grenzen, z. B. bei Soda auf eine Korngrösse von 0,05 und 10 mm, einstellbar.