CH641058A5 - Reaktor zur kontinuierlichen, thermischen behandlung von feststoffen, insbesondere kohlenstoffhaltigen adsorptionsmitteln. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Reaktor zur kontinuierlichen, thermischen Behandlung von Feststoffen, insbesondere kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmitteln, mit mindestens zwei übereinander angeordneten Wirbelbetten, einer Zuführungsstelle für Ausgangsmaterial und Abführungsstelle für Treibgas vom freien Raum des oberen Wirbelbettes, Verbindungsleitungen zwischen den Wirbelbetten, einer Austrittsstelle am unteren Wirbelbett für die behandelten Stoffe sowie einem Feuerraum unterhalb des unteren Wirbelbettes, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Wirbelbett mit dem oder den unteren Wirbelbetten über ein oder mehrere von Stufe zu Stufe ausserhalb des Reaktors geführte, mit Durchflussmengen-regelorganen ausgestattete Rohre verbunden ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Wirbelbett gegenüber dem oder den unteren Wirbelbetten einen 10-30% kleineren Durchmesser besitzt.

3. Reaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des oberen Wirbelbettes am Reaktor ein Stützbrenner installiert ist.

4. Verfahren zur Reaktivierung von verunreinigten kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmaterialien in einem mehrstufigen Wirbelbettreaktor gemäss den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerraum mit Brenngas-überschuss gegenüber der Verbrennungsluft versorgt und dieses Gas nach Einströmen in den freien Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes durch Zugabe von Luft in diesen freien Raum verbrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der stöchiometrische Brennüberschuss gegenüber der Luft 10-30% beträgt.

Es ist bekannt, kohlenstoffhaltige Adsorptionsmaterialien in einem zweistufigen Wirbelschichtreaktor zu reaktivieren, der aus einem runden Ofen mit zwei übereinander angeordneten Anströmböden besteht. Unterhalb des unteren Anströmbodens befindet sich der Feuerraum, in welchem durch Verbrennung von Gas oder Öl ein Treibgas erzeugt wird, das nach oben durch die Anströmböden aufsteigt. Das Gas wirbelt die auf den Boden befindlichen Materialien unter Austreibung der Adsorbate auf und entweicht oberhalb des oberen Wirbelbettes aus dem Reaktor. Erfahrungsgemäss weisen die beiden Wirbelschichten bei der Zuteilung von nasser, verunreinigter Aktivkohle grosse Temperaturunterschiede auf. Im oberen Boden erfolgt im wesentlichen eine Trocknung und Befreiung von leicht desorbierbaren Stoffen bei Temperaturen oberhalb etwa 150°C; der untere Boden dient der eigentlichen Reaktivierung bei Temperaturen oberhalb 600 °C, bei einzelnen Verschmutzungen sogar oberhalb von 800 °C, um eine vollständige Leistungsfähigkeit einer Frischkohle wieder zu erlangen.

Damit der Materialfluss vom oberen Boden zu dem unteren Boden und zum Austrag aus diesem Boden gleichmäs-sig und unter einer konstanten Verweilzeit jedes einzelnen Aktivkohlekorns erfolgt, hat man auf den Anströmboden bzw. in den Wirbelbetten quer zur Richtung des Materialflusses Staubleche vorgesehen und überdies den Austrag der reaktivierten Aktivkohle in Abhängigkeit vom Wassergehalt der in den Reaktor eingeführten verunreinigten Kohle und der Temperatur im Bereich des Austrags der Kohle geregelt.

Es wurde nunmehr nach jahrelangen Untersuchungen erkannt, dass von Zeit zu Zeit auftretende Störungen bei dem beschriebenen Verfahren darauf beruhen, dass der Überlauf der Kohle vom oberen zum unteren Wirbelbett sehr empfindlich auf Belastungen des oberen Wirbelbettes, sei es durch Materialien schwankender Dichte, sei es durch gewisse Verstopfungen am oberen Anströmboden, reagiert. Je hö-5 her der Widerstand des oberen Wirbelbettes und seines Bodens wird, um so mehr Treibgas strömt durch das Überlaufrohr in das obere Wirbelbett. Da es sich dabei um einen autokatalytischen Effekt handelt, kann es sogar zur Entleerung des unteren Wirbelbettes durch Überspülen des Maio terials in das obere Bett und damit zum Betriebsstillstand kommen.

Dieses Phänomen war nur sehr schwer zu erkennen, weil das Innere des Reaktors kaum und das Verbindungsrohr während des Betriebes überhaupt nicht einsehbar sind. i5 Es wurde nun gefunden, dass man solche Betriebsunterbrechungen vermeiden und zu einem gleichmässigen Materialfluss im gesamten Reaktor der eingangs geschilderten Bauweise dadurch gelangen kann, dass die Reaktivierung in einem Reaktor erfolgt, bei dem das obere Wirbelbett mit den 20 anderen unteren Wirbelbetten über ein oder mehrere von Stufe zu Stufe ausserhalb des Reaktors geführte mit Durch-flussmengenregelorganen ausgestattete Rohre verbunden ist. Wenngleich diese Lösung dem Fachmann wegen des Inkaufnehmens eines gewissen Wärmeverlustes sich nicht anbot, 25 hat sich doch gezeigt, dass nunmehr ein vollautomatischer, störungsfreier Betrieb über Wochen und Monate möglich ist, was mit der an sich wärmeökonomisch vorteilhafteren Direktüberführung des Materials im Inneren des Reaktors gemäss dem US-Patent 1 010 002 nicht zu erreichen ist. 30 Als Durchflussmengenregelorgane kommen alle Organe in Frage, die einen gewissen gasdichten Abschluss ermöglichen, wie z.B. Zellenradschleusen, Kolbenschleusen oder Pendelklappenschleusen.

Die Verlegung des Verbindungsrohres zwischen den 35 übereinander gelagerten Wirbelbetten nach aussen hat weiterhin den Vorteil, dass die Staubleche für die Beeinflussung der Verweilzeit der Aktivkohle im Ofen in der Mitte der Wirbelbetten installiert sein können und nicht gemäss US-Patent 4 010 002 seitlich versetzt installiert sein müssen. In diesem 40 Zusammenhang hat sich auch gezeigt, dass der Materialfluss bei der Reaktivierung von nasser Aktivkohle aus einer Wasserreinigung mit Hilfe des erfindungsgemässen, vorgesehenen Regelorgans so gut einstellbar ist, dass nur im unteren Wirbelbett ein oder mehrere Staubleche zweckmässig sind, 45 während im oberen Wirbelbett ein derartiges Staublech sich erübrigt. Bei Reaktoren mit 3 und mehr übereinander angeordneten Wirbelbetten kann auf Staubleche völlig verzichtet werden. Im übrigen lässt sich der gesamte Materialfluss auch zusätzlich durch ein höhenverstellbares Austragsrohr am un-50 teren Wirbelbett regeln.

Bekanntlich ist die Dichte von verunreinigter Aktivkohle höher als die Dichte von teilweise oder vollständig reaktivierter Aktivkohle. Man hat daher bereits vorgeschlagen, in den freien Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes zu-55 sätzlich Treibgase einzuführen, damit im oberen Wirbelbett die dort eingeführte Aktivkohle höherer Dichte ausgiebig aufgewirbelt wird.

Das Problem der höheren Anströmgeschwindigkeit für das obere Wirbelbett lässt sich indessen auch dadurch lösen, 60 dass das obere Wirbelbett einen gegenüber dem unteren Wirbelbett um 10-30% kleineren Durchmesser besitzt. Diese Ausführungsform des erfindungsgemässen Reaktors zeigt die Fig. 2.

Mit der Überführung des Materials des oberen Wirbel-65 bettes in das untere Wirbelbett über ein ausserhalb des Reaktors geführtes und mit einem Regelorgan versehenes Verbindungsrohr ist die Einführung von zusätzlichen Mengen an Treibgas in den freien Raum unterhalb des oberen Bo

dens von grösserem Anreiz geworden,_da nunmehr ein Durchbruch von Treibgas durch das Überlaufrohr praktisch ausgeschlossen ist. Infolgedessen ist der Reaktivierungs-prozess weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der die Wirbelbetten anströmenden Treibgasmengen.

Überraschenderweise hat sich bei der Einführung von zusätzlichem Treibgas in den freien Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes gezeigt, dass es unter bestimmten Bedingungen möglich ist, die im unteren Wirbelbett in Freiheit gesetzten Verunreinigungen noch im Reaktor zu verbrennen, wodurch für den Betrieb des Reaktors Energie eingespart und darüber hinaus der Anteil an Verunreinigungen im Abgas merklich vermindert wird. Dazu muss die Temperatur im freien Raum unterhalb des oberen Bodens so hoch sein, dass die Zündtemperatur der Verunreinigungen erreicht wird.

Die Einleitung von zusätzlichem Treibgas in den freien Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes eröffnet indessen die Möglichkeit, zu einem besonders vorteilhaften Betrieb des erfindungsgemässen Reaktors zu gelangen, der darin besteht, dass im Feuerraum ein Gasluftgemisch oder Ölluftge-misch mit Gas bzw. Ölüberschuss verbrannt wird und die überschüssigen, also noch nicht verbrannten Gase erst nach Einströmen in den freien Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes durch Zufuhr von Luft als zusätzliches Treibgas vollständig verbrannt werden. Dadurch werden die Schmutzstoffe energiesparend im Reaktor mit Verbrannt.

Im allgemeinen empfiehlt es sich, den Feuerungsraum unter dem unteren Wirbelbett mit 10-30%igem stöchiome-trischem Brenngasüberschuss zu betreiben und den dort nicht verbrannten Anteil unterhalb des oberen Wirbelbettes zu verbrennen.

Die dabei durch Verbrennen der in Freiheit gesetzten Schmutzstoffe erreichte Energieeinsparung beträgt 10-15%.

Für die Anwendung dieser Verfahrensweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, am Reaktor im Höhe des freien Raumes unterhalb des oberen Wirbelbettes einen Stützbrenner vorzusehen, mit dessen Hilfe die in Freiheit gesetzten Schmutzstoffe unabhängig von der dort herrschenden Temperatur stets zur Zündung gebracht und verbrannt werden können.

Der erfindungsgemässe Reaktor sei anhand der Figuren 1 und 2 der anliegenden Zeichnung am Beispiel eines zweistufigen Reaktors näher erläutert.

Der Reaktor 1 besitzt einen Feuerraum 2 mit Rohr 3 für das Einführen von Brenngas und Luft sowie das Rohr 4 für das Einführen von Wasser zwecks genauer Temperatureinstellung des gebildeten Treibgases.

Über dem Feuerraum 2 befindet sich das untere Wirbelbett 5 mit Anströmboden 6, Staublech 7, höhenverstellbarem Austrag 8 und einem Bündel von Luftzuführungsrohren 9 im freien Raum oberhalb des unteren Wirbelbettes 5. In diesen Raum mündet auch der Zündbrenner 17 und das Verbindungsrohr 10 mit dem Absperregelorgan 11.

Das obere Wirbelbett 12 besteht aus dem Anströmboden 13, dem abwärtsführenden Verbindungsrohr 10 sowie dem

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Einführungsrohr 14 für verunreinigte Kohle sowie einer Ab-gasleitung 15.

Fig. 2 zeigt den Reaktor gemäss Fig. 1. Das obere Wirbelbett 12 a mit erfindungsgemäss verkleinertem oberen Anströmboden 13 a geht wieder in einen erweiterten freien Raum 16 über.

Der erfindungsgemässe Reaktor ist für die Reaktivierung kohlenstoffhaltiger Adsorptionsmaterialien mit Aktivkohlen, kohlenstoffhaltigen Molekularsiebkoksen und sonstigen . speziellen adsorptionsfähigen kohlenstoffhaltigen Adsorptionsmaterialien geeignet; er ist indessen auch brauchbar für eine Vielzahl von Prozessen, die eine thermische Behandlung von Feststoffen im Wirbelbett erfordern.

Wie ohne weiteres verständlich, kann der erfindungsgemässe Reaktor auch mehr als zwei Wirbelböden besitzen,

ohne das vom grundlegenden Erfindungsgedanken abgewichen wird. In Frage kommen insbesondere Reaktoren mit drei bis acht Böden, die allesamt mit dem erfindungsgemässen Verbindungsrohr ausgestattet sind.

Beispiel 1

In einem zweistufigen runden Wirbelschichtreaktor mit einem lichten Durchmesser beider Wirbelbetten von 800 m gemäss Fig. 1 werden pro Stunde 400 kg einer verunreinigten Aktivkohle mit einem Wassergehalt von 50 °C, bezogen auf nasse Kohle, und einer Körnung von 1-3 mm eingeführt. Durch Verbrennen von Stadtgas (Brennwert 4000 kcal/m3) mit 20% unterstöchiometrischer Luft und unter Einspritzen von Wasser wird im Feuerraum ein Treibgas von 900 °C erzeugt.

In dem Raum unterhalb des oberen Wirbelbettes wird Luft in der Menge eingeblassen, dass gerade das stöchiome-trisch überschüssige Gas und die in Freiheit gesetzten Verunreinigungen verbrennen. Die Temperatur der Wirbelgase, die aus der unteren Wirbelschicht mit 650-700 °C austreten,

steigt dabei auf 750-800 °C.

Durch das Verbindungsrohr wird kontinuierlich Kohle aus dem oberen Wirbelbett in das untere Wirbelbett geschleust. Über den Austrag werden pro Stunde 190 kg reaktivierte Aktivkohle abgezogen. Das Adsorptionsvermögen dieser Kohle stimmt mit dem Adsorptionsvermögen derselben Aktivkohle überein, bevor diese für die Reinigungsoperation verwendet wurde. (Frischkohle)

Beispiel 2

In einem zweistufigen runden Wirbelschichtreaktor mit einem lichten Durchmesser des unteren Wirbelbettes von 900 mm und des oberen Wirbelbettes von 750 mm gemäss Fig. 2 werden pro Stunde 500 kg einer verunreinigten Aktivkohle, wie in Beispiel 1 beschrieben, eingeführt. Durch stöchiome-trische Verbrennung von Erdgas (Brennwert 8000 kcal/m3) und unter Einspritzen von Wasser wird im Feuerraum ein Treibgas von 800 °C erzeugt, das auf beiden Böden die Kohlenpartikel aufwirbelt. Im oberen Boden erfolgt bevorzugt eine Trocknung, im unteren Boden ein Austreiben von Verunreinigungen. Über den Austrag werden pro Stunde 240 kg reaktivierte Aktivkohle abgezogen. Das Adsorptionsvermögen ist wiederum gleich einer Frischkohle.

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1 Blatt Zeichnungen