DE1927502A1 - Anlage zur Erzeugung von elektrischer Rueckgewinnungsenergie in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde - Google Patents

Anlage zur Erzeugung von elektrischer Rueckgewinnungsenergie in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde

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Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. VON KREISLE» DR.-ING. SCHON WALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLOPSCH KÖLN 1, DEICHMANNHAUS
Köln, 28.5.1969 Ke/Bt
Francesco Ettore Conti, Via Sismondi 3» Mailand, Italien
Anlage zur Erzeugung von elektrischer Rückgewinnungsenergie in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur zweifachen kombinierten Abhitzerückgewinnung für die Erzeugung elektrischer Energie in einem Teilrückgewinnungskraftwerk in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren.
Das Bayer-Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß zunächst mineralischer Bauxit in der Wärme mit Aetznatron behandelt wird, um die Tonerde in Form von Natriumaluminat in Lösung überzuführen, dann die Lösung von den unlöslichen Teilen, dem Rotschlamm, getrennt und anschließend die Tonerde aus der Lösung durch Temperaturerniedrigung und Verdünnen der Lösung in entsprechenden Dekantiergefäßen ausgefällt wird, wobei man gleichzeitig die zu dekantierende Lösung mit kristallinen Tonerdekeimen versetzt.
Es ist bemerkenswert, daß die Tonerde AIgO-, in der Natur verschiedene Hydratationsformen besitzt und daß im Bauxit im allgemeinen sowohl das Mono- als auch das Trihydrat vorhanden ist. Dieses Trihydrat 1st leichter löslich, so daß es durch das Aetznatron bereits bei einer Temperatur von mindestens 150°C extrahiert und in Lösung übergeführt wird, während das Monohydrat weitaus weniger löslich ist und die
tür mindestens 2<
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Angriffstemperatur mindestens 2000C erreichen nuß, damit
eine vernünftig hohe Extraktion von Tonerdemonohydrat statt-. findet.
Aus diesem Grunde wird die Behandlungstemperatur des Bauxits mit Aetznatron, die früher um l8O°C lag, in den modernen Anlagen auf höheren Werten gehalten, die 23O0C und mehr erreichen.
Auf diese Weise können auch die europäischen Bauxite, die einen hohen Gehalt an Tonerdemonohydrat besitzen, industriell verwertet werden.
um Temperaturen von 2300C beim Angriff des Ätznatrons einzustellen, wird Wasserdampf unter Druck verwendet, der sich unter einem Druck von mindestens 30 atü befinden miß und im allgemeinen auch Drücke in der Größenordnung von 40 atU erreicht.
Das für die Wärmebehandlung des Bauxits verwendete Ätznatron ist nach dem Ausfällen der Tonerde stark verdünnt und muß zwecks seiner Wiederverwendung mittels Wärmezufuhr konzentriert werden. Dieses Konzentrieren wird auf verschiedene Art mit Verdampfern mit mehrfacher Verdampfungswirkung durchgeführt, bei denen das Heizmittel aus Wasserdampf besteht.
Aus obigen Überlegungen ergibt sich eindeutig, daß bei diesem Verfahren äußerst große Wärmemengen erforderlich sind, die aber häufig nicht völlig ausgenutzt werden und die Kosten der ' Tonerde erheblich belasten.
Um den Wärmeverbrauoh und damit die Kosten des Produkts herabzusetzen, wurden bereits die verschiedensten Systeme erdacht und angewandt. Diese an sich wohlbekannten Systeme, welche zu einer Herabsetzung des spezifischen Darapfvsrbrauohea bis zu Werten in der Größenordnung von 2 kg Dampf je kg Tonerde führen, bringen jedoch gleichzeitig Dampfdrücke von 35 atü und mehr mit sich.
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Bei modernen größeren Industriewerken und Anlagen besteht bekannlich die Tendenz, den elektrischen Energiebedarf selbst zu produzieren. Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, daß besonders im Fall von chemischen und metallurgischen Schwer-Industrien, die einen beträchtlich hohen Wärmebedarf in Form von Druckwasserdampf und einen hohen elektrischen Energiebedarf haben, sich die thermoelektrischen Teilrückgewinnungskraftwerke sowohl gegenüber den herkömmlichen Kondensationskraftwerken, als auch gegenüber den VollrUckgewinnungskraftwerken mit reinem Gegendruck durchgesetzt haben und anerkannte Vorteile besitzen.
Zieht man nun die oben erwähnten Werte des spezifischen Wärmeverbrauches bei Anlagen zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren in Betracht, und kalkuliert man auch nur in großen Zügen die mit den erwähnten Kraftwerken möglichen Ersparnisse, dann findet man, daß die mittels eines thermoelektrischen Teilrückgewinnungskraftwerkes gegebenenfalls erzeugte elektrische RUckgewinnungsenergie, selbst bei maximaler Leistungssteigerung des Kraftwerkes unter Heran-Ziehung von Abzweigungsgeneratorgruppen und Kondensation mit äußerst hohen Dampfdrücken am Turbineneinlaß und Zwischenüberhitzungen, kaum den Wert von 0,65 kWh je kg erzeugter Tonerde übersteigt, wenn man auch die den Hilfsbetrieben des Werkes gelieferte Energie berücksichtigt. Wird die Energie sodann mittels eines Vollrückgewinnungskraftwerkes erzeugt, dann werden kaum mehr als fö% des oben dargelegten Wertes erreicht.
Schließlich ist der Umstand nicht zu vernachlässigen, daß die seitens eines Kraftwerkes, insbesondere eines thermoelektrischen Kraftwerkes, erzeugte Energie jene Nutzenergie ist, die den Verbrauchern außerhalb des Kraftwerkes geliefert wird. Von der erzeugten Gesamtenergie müssen somit offenbar die Verluste für die. Hilfsbetriebe abgezogen werden, d.h. die Gesamtenergie muß mit dem Wirkungsgrad der Hilfbe-
P Π Q P c i / 1 π ; q
triebe multipliziert werden, der höchstens dem Wert 0,925 angenähert werden kann, wobei dieser Wert bei Kraftwerken kleiner Leistung, insbesondere solchen mit Vollrückgewinnung, auf 0,875 und sogar auf 0,850 sinken kann.
Die Rückgewinnung beträgt somit 0,65 x 0,925 ^ 0,6 kWh/je kg erzeugte Tonerde.
Unter Berücksichtigung der obigen Erwägungen liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, in einer Anlage zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren eine Anlage zur zweifachen Abwärmerückgewinnung zu schaffen, und zwar sowohl aus dem Reaktor zum Behandeln des Bauxits mit Ätznatron, als auch aus dem Mehrfachverdampfer zum Konzentrieren des verdünnten und verbrauchten Ätznatrons, wobei die rUckgewonnene Wärme an das Speisewasser des Dampferzeugers eines thermoelektrischen Teilrückgewinnungsgenerators abgegeben wird.
In einer Anlage zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren, die mit einem einen Hochdruckdampferzeuger und einen aus einer Hochdruck-, einer Mitteldruck- und Niederdruckstufe bestehenden Turbogenerator umfassende elektrischen Teilrückgewinnungsgenerator verbunden ist und die im wesentlichen einen Druckreaktor, dem zweckmäßig vorbehandeltes Bauxit, auf mindestens 380 Be konzentriertes Ätznatron und von der Mitteldruckstufe des Turbogenerators abgezweigter Wasserdampf zugeführt wird, sowie einen Mehrfachverdampfer zum Konzentrieren des verbrauchten und verdünnten Ätznatrons umfasst, der mit von der Niederdruckstufe des Turbogenerators abgezweigtem Wasserdampf beschickt und von dem konzentrietee Ätznatron und warmes Kondensationswasser entnommen wird, ist . erfindungsgemäß ein erster Wärmerückgewinnungskreis mit einem ersten Wärmeaustauschsystem, das dem Speisewasser des genannten Dampferzeugers durch Wärmeaustausch mit in einer Rohrschlange am Reaktor umlaufendem, infolge Abkühlung der Reak-
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tionsmasse auf eine Temperatur von höchstens 10O0C erwärmtem Wasser oder gebildetem Dampf Wärme abgibt, sowie ein zweiter Wärmerückgewinnungskreis mit einem zweiten Wärmeaustauschsystem vorgesehen, in dem das Speisewasser des Dampferzeugers infolge Wärmeaustausches seitens des von den einzelnen Verdampfungsstufen und von dem Kondensator des Konzentrierungsverdampfers herkommenden warmen Kondensationswassers erwärmt wird.
Der wesentliche Vorteil, der mit der erfindungsgemäßen Anlage erzielt wird, liegt zweifellos darin, daß die bei der Herstellung von Tonerde verbrauchte Wärmemenge maßgebend herabgesetzt wird, nachdem der rückgewonnenen Wärme offensichtlich kein Brennstoffverbrauch im Ofen des Dampferzeugers der thermoelektrischen Generatoranlage entspricht*
Um die erfindungsgemäß erzielten vorteilhaften Ergebnisse im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen quantitativ größenordnungsmäßig darzulegen, kann folgendes bemerkt werden:
Nimmt man oben genannte Werte des spezifischen Dampfverbrauches als Grundlage, so errechnet man, daß mit einem thermoelektrischen Teilrückgewinnungskraftwerk je kg erzeugter Tonerde einschließlich der Hilfsbetriebe 2,10 kWh elektrische Energie rUokgewinnbar ist, was 2,10 χ 0,925 = 1,95 kWh je kg erzeugter Tonerde entspricht, wenn man den Wirkungsgrad der Hilfsbetriebe des Kraftwerkes berücksichtigt.
Nachdem 2,10 1,95 ~ , 2,- ± t 0,65 0,60 ;'* XBZ'
ergibt sich,daß bei gleicher, durch Rückgewinnung mit den derzeit in den Werken zur Herstellung von Tonerde verwendeten Systemen erzeugter, elektrischer Energie eine mindestens 3,25-fache Tonerdeproduktion erzielbar ist.
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Ein veLterer erwähnenswerter Gesichtspunkt ist der des spezifischen Dampf Verbrauches Je kg erzeugter Tonerde. Erfindungsgemäß werden tatsächlich Je kg Tonerde etwa 5*5 kg Dampf benötigt, die insgesamt abgezweigt und auch abgezapft werden und mit den verschiedenen Drüeken den Verbrauchern des Tonerdeherstellungsprozesses zugeführt werden. Nachdem dieser Wert größer ist als der im Zusammenhang mit herkömmlichen Systemen erwähnte Wert von 2 kg Dampf je kg erzeugter Tonerde, könnte es den Anschein haben, als ob auch die entsprechenden spezifischen Wärmeverbrauche im gleichen Verhältnis liegen würden.
Erfindungsgemäß werden jedoch die erforderlichen Gesamtwärmemengen sowohl beim Angriff des Bauxits als auch beim Konzentrieren des verbrauchten Ätznatrons zum größten Teil zurückgewonnen, und zwar mindestens 65#, die dem Speisewasser des Dampferzeugers des Kraftwerkes abgegeben werden, wodurch sich eine Ersparnis des spezifischen Wärmeverbrauches in der Größenordnung von 1150 Kcal/kWh ergibt.
Im ungünstigsten Fall, d.h. wenn man einmal annimmt, glei-.20 ehern spezifischen Dampfverbrauch würden gleiche Wärmemengen entsprechen, würde sich ergeben, daß dem tatsächlichen Wärmeverbrauch ein Wert von 0,35 χ 5,5 = 2 kg Dampf je kg erzeugte Tonerde zustünde, d.h. ein Wert, der im äußersten Fall jenem der herkömmlichen Systeme entspräche, in der ' Praxis jedoch geringer ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anlage zur doppelten Wärmerückgewinnung in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde und
Fig. 2 veranschaulicht im einzelnen die Anlage nach Fig.
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Gemäß Pig. 1 wird in der Anlage zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren dem Reaktor 10 Über 11 Bauxit über 12 konzentriertes Ätznatron und über 13 Dampf unter mittlerem Druck zugeführt. Die Natriumaluminatlösung, das verbrauchte Ätznatron und der Rotschlamm werden durch die Leitung 54 aus dem Reaktor 10 zum darauffolgenden Trennen und Dekantieren abgeführt.
Fig. 1 zeigt ferner einen Mehrfachverdampfer 14 zum Konzentrieren des verbrauchten Ätznatrons, das durch die Leitung 15 eingeleitet und in konzentrierter und für die Wiederver-' Kendung im Reaktor 10 bereiteter Form durch die Leitung 16 in die Leitung 12 abgeleitet wird. Durch die Leitung 17 wird Dampf bei niedrigem Druck zugeführt, der nach dem Durchströmen der ersten Verdampferstufe durch die Leitung 18 mit einer Temperatur abgeführt wird, die etwas höher ist als die des verdünnten Ätznatrons. Vom Kondensator 42 der letzten Stufe wird durch die Leitung 19 das warme Wasser zusammen mit dem warmen Kondenswasser der anderen Verdampferstufen abgeführt und in das zweite Wärmeaustauschν und Rückgewinnungssystem eingeleitet.
Der an sich wohlbekannte elektrische TeilrUckgewinnungsgenerator umfasst einen Dampferzeuger 20, der mit äußerst hohem Druck die erste bzw. Hochdruckstufe 21 des Turbogenerators und anschließend mit aufeinanderfolgenden verminderten Dampfdrücken die Mitteldruckstufe 22 und die Niederdruckstufe 23 bis zum Kondensator 24 speist.
Das über die Leitung 25 dem Kondensator 24 entnommene Speisewasser des Dampferzeugers 20 teilt sich in zwei Ströme auf, die durch Leitungen 26 bzw. 27 zwei Wärmeaustauschern 28 bzw. 29 zugeführt werden, deren Ausgangsleitungen 30 bzw. 31 in die gemeinsame Speiseleitung 32 des Dampferzeugers 20 einmünden und von Dampf durchströmt werden.
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Im Wärmeaustauscher 28 wird das durch die Leitung 26 eintretende Speisewasser durch warmes Wasser bzw. auch Dampf erwärmt, das durch die Leitung 33 aus der Wärmeaustauschrohr-, schlange 3^ kommt, die zweckmäßigerweise innen im Reaktor 10 angeordnet ist, so daß ein Wärmeaustausch mit der im Reaktor am Ende der Reaktion vorhandenen, aus Ätznatron, Natriumaluminatiösung und Rotschlamm bestehenden Masse stattfindet. Die Rohrschlange 34 wird mit Wasser gespeist, das aus dem Wärmeaustauscher 28 austritt und durch die Leitung 35 zugeführt wird. Es ist selbstverständlich, daß die Rohrschlange auch mit einem anderen Wärmeaustauschmittel im geschlossenen Kreislauf gespeist werden kann.
Es ist klar, daß in dieser Form die Wärmerückgewinnung aus dem Reaktor 10 intermittierend, d.h. am Ende des Ätznatronangriffes einei^eder Bauxitbeschickung stattfindet.
Diese Intermission kann jedoch dadurch praktisch beseitigt werden, daß mehrere Reaktoren, wie sie auch für nicht sehr große Tonerdeproduktionen eingesetzt werden, entsprechend phasenverschoben parallel angeordnet oder aber kontinuierlieh arbeitende Reaktoren verwendet werden, aus denen die umgesetzte Masse in zylindrische oder sonstige Wärmeaustauscher gelangt, in denen die genannte Rohrschlange angeordnet ist.
Im Wärmeaustauscher 29 wird das Speisewasser des Dampferzeugers 20 durch die fühlbare Wärme des Wassers erwärmt, das den verschiedenen Stufen des Mehrfachverdampfers 14 entnommen, dem Wärmeaustauscher durch die Leitung 19 zugeführt und nach dessen Durchströmen durch eine Leitung 37 in den Kondensator 24 geleitet wird.
Die Fig. 2 veranschaulicht im einzelnen eine bevorzugte Ausführungsform der in Pig. I schematised» gezeigten Anlage, wobei gleiche bzw. entsprechende Anlageteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Betrachtet man den geschlossenen Kreislauf des Wärmeaustauschers 28 so ist ersichtlich, daß diesem Wasserbehälter 36 bzw. 38 vor- oder nachgeschaltet sind. Das im Behälter 38 am Ende des Ätznatronangriffes des Bauxits angesammelte Wasser, das eine einige Grad unter 1OO°C liegende Temperatur hat, wird in die Rohrschlange 34 eingeleitet, wo es sich erwärmt und von wo es in den Behälter 36 gelangt, der seinerseits wieder den Wärmeaustauscher 28 speist.
Der Mehrfachverdampfer 14 umfaßt eine erste Verdampferstufe 39* der Dampf mit niedrigem Druck, der vom ausgangsseitigen Ende der Mitteldruckstufe des Turbogenerators abgezweigt wird, zugeführt wird, somit den gleichen Druck wie am Einlass der Stufe 23 besitzt und durch die gesamte Verdampferstufe 29 strömt, um schließlich durch die Leitung 18 in einen gemeinsamen Wasser- und Kondenswassersammelbehälter geleitet zu werden. Der Verdampfer hat zwei weitere Stufen, durch die die Ätznatronlösung strömt, die sich bei abnehmenden Drücken konzentriert, während das Kondensationswasser durch die Leitung 19 dem Wärmeaustauscher 29 zugeführt wird. Das durch den Ablass l6 der letzten Verdampferstufe austretende konzentrierte Ätznatron sammelt sich in einem Behälter 40, von dem es durch die Leitung 12 in den Reaktor 10 eingelassen wird. Wie die gestrichelte Linie andeutet, kann in die Leitung 12 ein Wärmeaustauscher 4l eingeschaltet sein, in dem das konzentrierte Ätznatron durch den von der Stufe 22 des Turbogenerators abgezapften Mitteldruckdampf vorgewärmt wird.
Dem Verdampfer 14 ist im allgemeinen ein Mischkondensator 42 zugeordnet, in dem der Wasserdampf der letzten Verdampferstufe kondensiert wird.
Im Speisekreis des Dampferzeugers 20 sind in Reihe mit dem Wärmeaustauscher 29 verschiedene weitere Wärmeaustauscher 43« 44, 45 und 46 angeordnet, die das Speisewasser des
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Dampferzeugers 20 weiter vorerwärmen, wozu der aus den Mittel- und Niederdruckstufen 22 bzw. 23 des Turbogenerators abgezapfte Dampf verwendet wird. Ferner ist in Reihe mit dem Wärmeaustauscher 28 ein weiterer Wärmeaustauscher 47 vorgesehen, der mit Niederdruckdampf gespeist wird, der aus der Niederdruckstufe 23 abgezapft wird.
In der Speiseleitung 32 des Dampferzeugers 20 befindet sich ein Entgaser 48 herkömmlicher Art für thermoelektrische Anlagen, der eine Gruppe von in Reihe liegenden Wärmeaustauschern 49, 50 und 5I speist, die mit Dampf versorgt werden, der von den Hoch- und Mitteldruckstufen 21 bzw. 22 des Turbogenerators abgezapft wird. Schließlich sind herkömmliche überhitzer 52 und 53 vorgesehen, und an den Ausgang des Kondensators 24 ist eine Anlage 54 zur Klimatisierung der dem Kondensator entnommenen Kondenswasser angeschlossen.
Es ist im Rahmen der Erfindung selbstverständlich möglich, beide Wärmeaustausch- und Rückgewinnungskreise von Fig. 2 in Reihe zuschalten und dann den Speisewasserstrom des Dampferzeugers nicht aufzuteilen. Ferner können in Reihe oder parallel zu den Wärmeaustauschern Abzapfer vorgesehen sein.
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Claims (9)

  1. - li -
    Patentansprüche
    f 1) ) Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch zweifache Wärmerückgewinnung in Verbindung mit einer Anlage zur Herstellung von Tonerde nach dem Bayer-Verfahren und mit einer thermoelektrischen Teilrückgewinnungszentrale, gekennzeichnet durch einen ersten Wärmeaustauscher, in dem ein erster Speisewasserstrom des Dampferzeugers des Turbogenerators durch Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschmittel, das seinerseits durch Wärmeaustausch mit der resultierenden Masse des Ätznatronangriffes in der Wärme Wärme aufgenommen hat, erwärmt wird, und durch einen zweiten
    Wärmeaustauscher, in dem ein zweiter Speisewasserstrom des Dampferzeugers durch Wärmeaustausch mit war^mem Wasser,
    das dem Verdampfer zum Konzentrieren des Ätznatrons entnommen wird, erwärmt wird.
  2. 2) Anlage nach Anspruch 1, bei der der Reaktor zum Ätznatronangriff in der Wärme mit Bauxit, konzentriertem
    Ätznatron von mindestens 30° Be und Wasserdampf gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die umzusetzende Masse mit Mitteldruckwasserdampf aus der Mitteldruckstufe des
    Turbogenerator auf eine Temperatur von l80° bis 2JO0C erwärmt wird und der Reaktor mit einer Wärmeaustauschrohrschlange versehen ist, die einem geschlossenen Kreislauf angehört, der ferner einen Wärmeaustauscher umfasst, in
    dem ein Wärmeaustauschmittel in geschlossenem Kreislauf
    umläuft, das in der Rohrschlange von der umgesetzten Masse Wärme erhält und die Wärme im Wärmeaustauscher an der ersten Speisewasserstrom des Dampferzeugers abgibt.
  3. 3) Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschmittel Wasser ist und daß der geschlossene Kreislauf vor und nach dem Wärmeaustauscher Je einen Behälter umfasst.
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  4. 4) Anlage nach Anspruch 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Wärmeaustauscher der zweite Speisewasserstrom des Dampferzeugers mit einem Warmwasserstrom aus der letzten und den vorhergehenden Stufen des Mehrfachverdampfers zum Konzentrieren des verbrauchten und verdünnten Ätznatrons im Wärmeaustausch steht.
  5. 5) Anlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Verdampfer austretende konzentrierte Ätznatron in einem Behälter gespeichert und vor dem Eintritt in den Reaktor in einem Wärmeaustauscher vorerwärmt wird, der mit Mitteldruckdampf aus der Mitteldruckstufe des Turbogenerators gespeist ist.
  6. 6) Anlage nach Anspruch 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe des Verdampfers mit Niederdruckdampf aus der entsprechenden Stufe des Turbogenerators gespeist ist.
  7. 7) Anlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umgesetzte Masse durch das durch die Rohrschlange fließende Wärmeaustauschmittel auf eine Temperatur gekühlt
    wird, die nicht größer als 1000C ist.
  8. 8) Anlage nach Anspruch 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher des ersten Wärmerückgewinnungskreises in Reihe mit einem weiteren Wärmeaustauscher liegt, der mit Dampf aus der Niederdruckstufe des Turbogenerators gespeist ist.
  9. 9) Anlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeaustauscher in Reihe mit zwei oder mehreren Wärmeaustauschern liegt, die mit Dampf aus den Mittel- und Niederdruckstufen des Turbogenerators gespeist sind.
    0 Q 9 8 8 L I 1 0 E: 9
    Leerseite
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