CH357709A - Verfahren und Einrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen und Anwendung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Einrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen und Anwendung dieses Verfahrens
Das Patent betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen, wobei zur Ableitung der Wärme eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder Stoffe, die für den Reaktionsablauf in einem Reaktionsgefäss nötig sind, verwendet werden, und wobei diese Reaktionskomponenten oder Stoffe als Arbeitsmittel für eine Gasturbinenanlage benützt werden.



   Das Patent betrifft auch eine Anwendung dieses Verfahrens.



   Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Reaktionskomponenten, die aus der Turbine in das Reaktionsgefäss übertreten, entsprechend der Zusammensetzung des verarbeiteten Rohmaterials derart reguliert wird, dass die Reaktionstemperatur auch bei einer während des Prozesses erfolgenden Änderung der Zusammensetzung des Rohmaterials eingehalten werden kann.



   Die bei solchen Reaktionen entstehende Wärme wird üblicherweise entweder bei der weiteren Verarbeitung der Reaktionsprodukte verbraucht oder muss aus der Einrichtung entfernt werden.



   In letzterem Falle erfolgt die Wärmeableitung in verschiedenster Weise. Manchmal kann die Wärme zur Dampferzeugung oder zu anderen Zwecken verwendet werden. In anderen Fällen ist eine solche Ausnützung nicht möglich und die Reaktionswärme wird dann meistens mit dem Kühlwasser fortgeleitet.



   Falls die Reaktionswärme zur Dampferzeugung dient, wird der Dampf entweder zu technologischen Zwecken oder zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Turbogenerator mit einer Kondensationsdampfturbine verwendet. Der Wärmewirkungsgrad einer solchen Einrichtung ist allerdings gewöhnlich nicht allzu hoch, da meist Niederdruckdampf erzeugt wird. Nur ein verhältnismässig geringer Teil der Wärme wird in elektrische Energie umgewandelt. Der grössere Teil wird im Kondensator ins Kühlwasser abgeführt, dessen Verbrauch dann infolge der Erzeugung von elektrischer Energie bedeutend erhöht wird. Ausserdem ist die Verwendung von Wasser oder Dampf zum Abkühlen der Reaktionsprodukte unvorteilhaft, denn bei eventuellen Undichtheiten kann das Wasser mit den Reaktionsprodukten aggressive Verbindungen bilden, die eine Korrosion der Einrichtung verursachen.



   Als Beispiel des bisherigen nicht zufriedenstellenden Zustandes kann die Erzeugung von Schwefelsäure aus armen Pyriten dienen. Das arme Roherz wird zuerst   flotiert,    das angereicherte Konzentrat getrocknet und in Röstöfen geröstet. Beim Rösten wird eine bedeutende Wärmemenge freigesetzt (z. B. 1200 kcal/kg Pyrit), die aus dem Ofen einerseits durch die Röstgase von hoher Temperatur (etwa 800 bis   900"    C), anderseits durch feste Rückstände (Abbrände) und ferner durch Verluste in die Umgebung abgeführt werden. Die Schwefeldioxyd enthaltenden Röstgase werden vor der weiteren Verarbeitung in einem zur Erzeugung von Wasserdampf dienenden Abwärmekessel abgekühlt. Die Ausnützung des Wasserdampfes für technologische Zwecke bei der Erzeugung von Schwefelsäure selbst ist nicht möglich.

   Wenn keine andere geeignete Verbrauchsstelle zur Verfügung steht, bleibt zu dessen Ausnützung nur die Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer Kondensationsturbine übrig, die mit all den obenangeführten Nachteilen behaftet ist.



   Alle diese Mängel der bisherigen Verfahren, die insbesondere in der Korrosionsgefahr, ungenügender   Wärmeausnützung und grossem Kühlwasserverbrauch beruhen, lassen sich durch das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung beseitigen. Bei diesem Verfahren wird zur Ableitung der Abwärme ein solcher Stoff verwendet, welcher mit den Reaktionsprodukten möglichst keine aggressiven Verbindungen bildet und welcher gleichzeitig die Möglichkeit einer zweckmässigen Ausnützung der Abwärme bietet. Der verwendete Stoff bildet eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder ist für den Verlauf der Reaktion erforderlich.



   Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Beispiels einer Einrichtung bei der Erzeugung von Schwefelsäure aus Pyriten gemäss dem in der Zeichnung dargestellten Schema erläutert.



   Der eigentliche technologische Vorgang der Erzeugung von Schwefelsäure bleibt unverändert. Zwecks Abkühlung der Röstgase wird jedoch eine Einrichtung benützt, bestehend aus einem Luftkompressor 1 mit Zwischenkühlung 7, einem Wärmeaustauscher 2, einem Lufterwärmer 3, einer Luftturbine 4 und einem elektrischen Generator 5. Die Einrichtung ist an einem Röstofen 6 angeschlossen. Als Kühlmedium wird hier Luft verwendet, die gleichzeitig einen der für die Reaktion erforderlichen Stoffe bildet.



   Der Kompressor 1 liefert die auf einen geeigneten Druck (z. B. 5 atü) komprimierte Luft, die durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchtritt und im Lufterwärmer 3 die aus dem Röstofen 6 austretenden Röstgase bzw. auch Abbrände abkühlt. Die auf eine hohe Temperatur erwärmte Luft expandiert in der Luftturbine 4, wo sie Arbeit verrichtet. Die Turbine 4 treibt den Kompressor 1 an und durch den Leistungs überschuss den elektrischen Generator 5. Ein Teil der aus der Turbine 4 austretenden Warmluft wird in den Ofen 6 zum Rösten von Pyrit geleitet, während mit dem Rest komprimierte Luft im Wärmeaustauscher 2 vorgewärmt wird. Diese Luft wird entweder in die Atmosphäre weitergeleitet oder kann z. B. zum Trocknen, Heizen oder für andere technologische Zwecke verwendet werden.

   Im Falle der Erzeugung von Schwefelsäure durch das Kontaktverfahren kann die noch warme Luft aus der Turbine 4 unmittelbar, d. h. ohne am Röstprozess teilzunehmen, in den nicht gezeichneten Kontaktkessel eingeführt werden, wo die Oxydation von   SO2    zu   SO3    abläuft. Weil dadurch der Sauerstoffgehalt dieser Oxydation mindestens teilweise gedeckt wird, können die aus dem Röstofen 6 austretenden Röstgase einen kleineren O2-Gehalt aufweisen, als für die Oxydation von   SO2    zu   SO3    notwendig ist. Deshalb kann der Röstofen mit einem kleineren Luftüberschuss arbeiten, so dass der SO2-Gehalt in den Röstgasen auf über 8% erhöht werden kann.



   Die Luft- bzw. Gasmenge, die durch den Röstofen 6 und die folgenden Anlagen, d.h. den Erwärmer 3, den Staubabscheider und andere Einrichtungen zur Gasreinigung (nicht gezeichnet) strömt, ist also verringert, so dass die Einrichtung kleiner gehalten werden kann und auch die Wärmeverluste verringert werden.



  Die Temperatur der betreffenden Reaktionskomponenten, die aus der Turbine 4 in das Reaktionsgefäss 6 übertreten, wird entsprechend der Zusammensetzung des gerösteten Materials reguliert, d. h. auf dem jeweils optimalen Wert für den Ablauf der Reaktion bzw.



  Röstung gehalten, was sowohl durch Zufuhr als auch durch Ableitung von Wärme erreicht werden kann.



   In dem dargestellten Beispiel wird Wasser nur zum Zwischenkühlen der Luft bei deren Komprimierung verwendet, und zwar im Wärmeaustauscher (Kühler) 7.



  Der Kühlwasserverbrauch ist hier also bedeutend geringer als bei einer Kondensationsdampfturbine und bei Verwendung eines nicht gekühlten Kompressors entfällt der Verbrauch überhaupt. Keinesfalls kann hier Wasser mit den Röstgasen in Berührung kommen, mit denen es eine die Korrosion der Vorrichtung hervorrufende aggressive Verbindung bilden würde, wie dies bei den bisherigen Ausführungen der Fall ist.



   Obwohl die Luftturbine 4 teilweise als Gegendruckturbine arbeitet, wird die Erzeugung einer grösseren Menge von elektrischer Energie als bei der Benützung der bisher verwendeten Kondensationsdampfturbine ermöglicht.



   Die Verwendung von vorgewärmter Luft zum zum Rösten ist vorteilhaft, da die erforderliche Temperatur im Röstofen 6 z. B. durch Rezirkulation der abgekühlten Röstgase oder durch Verwendung eines ärmeren Pyrits, z. B. mit weniger als   20%    ausnutzbarem Schwefel, geregelt werden kann, wodurch weitere Ersparnisse bei der Vorbehandlung des Pyrites erzielt werden können. Die Kombination einer Gegendruck Luftturbine mit einem Röstofen ist insbesondere bei den neueren   Ofentypen    vorteilhaft, z. B. bei Verflüssigungsöfen oder Schmelzherdöfen, denn in einem solchen Falle ermöglicht sie eine unmittelbare Verarbeitung von sehr armen Pyriten ohne die Notwendigkeit einer vorherigen Flotation, d. h. unter bedeutend verringerten Erzeugungskosten.



   Die erfindungsgemässe Einrichtung kann verschiedenartig kombiniert werden. Gegebenenfalls kann man z. B. das Luftturbinenaggregat 4, 1, 5 an mehrere Öfen 6 anschliessen. Dadurch wird eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und ein gleichmässigerer Gang der Luftturbine 4 erreicht, wobei die einzelnen Öfen 6 zwecks Reparaturen und dergleichen unabhängig voneinander aus dem Betrieb genommen werden können.



   Sofern ein oder mehrere Öfen 6 einen gleichmässigen Gang der Luftturbine 4 nicht gewährleisten, kann man in die Einrichtung eine zusätzliche Verbrennungskammer installieren, am besten eine durch eine (nicht gezeichnete) automatische Regulierung betätigte Verbrennungskammer für einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff. Soweit der Betrieb der Öfen 6 der vollen Leistung der Luftturbine 4 entspricht, befindet sich diese zusätzliche Verbrennungskammer im Ruhezustand. Sobald jedoch die Leistung der Luftturbine durch ungleichmässigen Betrieb der Öfen 6 unter eine bestimmte Grenze sinkt, wird die zusätzliche Verbrennungskammer automatisch in Betrieb  gesetzt und die Wärmeenergie entsprechend der vollen Leistung der Luftturbine ergänzt. Die zusätzliche Vebrennungskammer kann gleichzeitig auch zur Regelung der Temperatur der in die Röstöfen eingeführten Luft verwendet werden.



   Das vorliegende Verfahren kann analog und mit den gleichen Vorzügen auch bei anderen exothermischen chemischen Reaktionen verwendet werden. So ist es   z. B.    auch möglich, die nach dem beschriebenen Prinzip durch eine Gasturbine erzeugte mechanische Energie zur Deckung des Energie-Eigenverbrauches von Absorptions- und ähnlichen Verfahren bei erhöhtem Druck zu verwenden.



   Als weiteres Beispiel wird nachstehend die Erzeugung von Wassergas im sogenannten Winklerschen Generator beschrieben. Es wird ein fester Brennstoff (z. B.   kleinstückiger    Koks) in der Schwebe durch ein Gemisch von Dampf und Sauerstoff, bzw. auch Luft, vergast. Das aus dem Generator austretende Gas hat eine Temperatur von 900 bis   1000"    C und seine Wärme wird gewöhnlich zur Erzeugung von Dampf in Abwärmekesseln ausgenützt. Auch hier gilt das in der Zeichnung dargestellte Schema der Anordnung.



   In den Reaktor 6 (Vergasungsgenerator) wird der zum Vergasen bestimmte Koks in genügender Quantität eingeführt. Die zweite Reaktionskomponente ist eine Vergasungsmischung entsprechender Zusammensetzung (Sauerstoff, Luft, Wasserdampf) und wird aus der Turbine 4 zugeführt. Die Vergasungsmischung wird im Kompressor 1 verdichtet und im Wärmeaustauscher 3 auf die erforderliche Temperatur erhitzt, wobei die Wärme des aus dem Reaktor 6 austretenden Gases ausgenützt wird. Die gasförmige Reaktionskomponente und gleichzeitig das Arbeitsmedium der Gasturbine ist in diesem Falle also die Mischung von Dampf, Luft und Sauerstoff.



   In der beschriebenen Einrichtung kann die Abwärme zweckmässiger ausgenützt werden als bisher, wobei gleichzeitig Reaktionskomponenten von hoher Temperatur erzeugt werden. Dieser Umstand wirkt sich besonders beim Betrieb eines Vergasungsgenerators mit Abfuhr von flüssiger Schlacke günstig aus. Die erhöhte Wärmezufuhr zum Generator 6 in der Vergasungsmischung trägt auch zur Deckung des Verbrauches der vorangehenden endothermen Reaktionen bei und führt zu einer Herabsetzung des Sauerstoffverbrauches.



   Bei der Erzeugung von Zinkweiss wird das metallische Zink in einer mittels Generatorgases beheizten Retorte geschmolzen und verdampft. Hierauf werden die Zink dämpfe mit vorerhitzter Luft zu ZnO verbrannt, wobei eine erhebliche Wärmemenge frei wird.



  Das tragende Gas, in dem ZnO zerstäubt ist, hat eine hohe Temperatur, z. B.   800"    C, und wird nach der Abtrennung von ZnO gewöhnlich ohne Abwärmeausnutzung abgeleitet. Auch in diesem Fall kann das beschriebene Verfahren angewendet werden. Der Ablauf entspricht prinzipiell der Erzeugung von   H2SO4,    mit dem Unterschied, dass dem Reaktionsgefäss 6 gleichzeitig Luft aus der Turbine 4 und Zinkdämpfe zugeführt werden, und dass aus der Anlage das Zinkweiss in Pulverform abgeführt wird. Das tragende Gas, welches aus dem Reaktionsgefäss 6 austritt und ZnO enthält, erhitzt im Wärmeaustauscher 3 die durch den Kompressor 1 komprimierte Luft für die Turbine 4.



  Nach der Abtrennung des ZnO (nicht eingezeichnet) führt man das Gas in die Atmosphäre ab.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Ausnützung der Abwärme von exothermen chemischen Reaktionen, bei dem zur Ableitung der Wärme eine oder mehrere Reaktionskomponenten oder Stoffe, die für den Reaktionsablauf in einem Reaktionsgefäss nötig sind, verwendet werden, und wobei diese Reaktionskomponenten oder Stoffe als Arbeitsmittel für eine Gasturbinenanlage benützt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Reaktionskomponenten oder Stoffe, die aus der Turbine (4) in das Reaktionsgefäss (6) übertreten, entsprechend der Zusammensetzung des verarbeiteten Rohmaterials derart reguliert wird, dass die Reaktionstemperatur auch bei einer während des Prozesses erfolgenden Änderung der Zusammensetzung des Rohmaterials eingehalten werden kann.

   II. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch eine einen Kompressor (1) und einen elektrischen Generator (5) antreibende Gasturbine (4) und durch Wärmeaustauscher (2, 3), wobei die Turbine das für den Reaktionsverlauf notwendige Gas liefert.

   III. Anwendung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I für die Herstellung von SOB durch Rösten von Pyrit und Oxydation des entstehenden SO2.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Reaktionsprodukte, welcher von den gasförmigen Reaktionsprodukten nicht mitgeführt wird, zur Erwärmung des Arbeitsmittels der Gasturbine verwendet wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Verbrennungskammer verwendet wird, in welcher durch Verbrennung eines Brennstoffes die durch den Reaktionsablauf verursachten Schwankungen in der Wärmeabgabe dadurch ausgeglichen werden, dass durch diese Verbrennung die Temperatur der in das Reaktionsgefäss eingeführten Reaktionskomponenten und die Reaktionstemperatur geregelt wird.

   3. Einrichtung nach Patentanspruch II, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Verbrennungskammer zum Ausgleich der Lieferung der Antriebswärmeenergie im Falle eines ungleichmässigen Verlaufes des Reaktionsvorganges, oder für die Regelung der Temperatur vor der Turbine.

   4. Anwendung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wärmeaustauscher (3) zusammen mit den Röstgasen auch die festen Röstrückstände abgekühlt werden.

   5. Anwendung nach Patentanspruch III beim Rösten von armen Pyriten, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Reaktionsgefäss austretenden Röstgase mindestens 8 % SO2 enthalten.

   6. Anwendung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Warmluft aus der Turbine (4) ohne an dem Röstprozess teilzunehmen, in den Raum eingeführt wird, wo die Oxydation von SO2 zu SO3 abläuft.