DE2524540C2

DE2524540C2 - Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse

Info

Publication number: DE2524540C2
Application number: DE2524540A
Authority: DE
Inventors: Ludolf Dr.-Ing. 6242 Kronberg Plass; Lothar Dr.-Ing. 6000 Frankfurt Reh; Hans-Werner Dr.-Ing. 6000 Frankfurt Schmidt
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1975-06-03
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1986-04-24
Also published as: SU1109041A3; NL180387C; ZA762959B; AU1295176A; HU177477B; CA1079032A; BR7603522A; GR60266B; GB1500096A; FR2313120B1; FR2313120A1; US4076796A; NL180387B; RO72150A; YU108676A; AU499771B2; IT1081079B; YU41291B; IN143800B; NL7604519A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse bei einem Wirbelschichtzustand mit stark aufgelockerter Wirbelschicht und einem Gefälle der Feststoffkonzentration von unten nach oben sowie Austrag der Feststoffe zusammen mit den Gasen am oberen Teil des Schachtes, wobei die Feststoffe vom Gas getrennt und mindestens teilweise in den Wirbelschichtreaktor zurücKgeführt werden, das dem Prozeß zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor aufgegeben und Sekundärluft oberhalb des Gasverteilers zugeleitet werden sowie die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Beheizung durch Zufuhr von Brennstoff in die Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung erfolgt.

Zur Durchführung endothermer Prozesse sind neben Verfahren in der »klassischen« Wirbelschicht, also mit einem Verteilungszustand, bei dem eine dichte Phase durch einen deutlichen Dichtesprung von dem darüber befindlichen Gas- oder Staubrauni getrennt ist (GB-PS 8 78 827, US-PS 27 99 558), auch soltjr bekannt, die sich einer sogenannten stark expandierten Wirbelschicht bedienen. Hierbei liegen Verteilungszustände ohne definierte obere Grenzschicht vor, die erhalten werden, indem eine wesentlich höhere Gasgeschwindigkeit eingestellt wird, als zur Aufrechterhaltung einer klassischen Wirbelschicht zulässig ist. und bei der der Feststoff vom Gas schnell aus dem Reaktor ausgetragen würde, wenn nicht ständig neues Material nachgespeist wird. Die Feststoffkonzentration ist niedriger als im Bett, aber

5a erheblich höher als im Staubraum einer klassischen Wirbelschicht. Ein Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum ist nicht vorhanden, jedoch nimmt innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von unten nach oben kontinuierlich ab.

Bei der Kalzination von feinkörnigem Tonerdehydrat kann die Gasgeschwindigkeit einer Gasmenge von 1500 bis 3000 NmVm² χ h entsprechen und die Suspensionsdichte im Durchschnitt über die ganze Höhe der Reaktionszone über 30 kg/m³ und im unteren Teil der Reaktionszone 100 bis 300 kg/m³ betragen. Der mit dem Gas ausgetragene Feststoff kann in einen Abscheider gebracht und zum Teil wieder in den unteren Teil des· Wirbelschichtreaktors zurückgeführt werden (DE-AS Π 46 041).

b5 Bei einem weiteren auf die Herstellung von Aluminiumoxid gerichteten Verfahren nach dem Prinzip der stark expandierten Wirbelschicht, bei dem die mit den Gasen am oberen Ende des Schachtes ausgetragenen

Feststoffe in einem Abscheider vom Gas getrennt und teilweise zur Wärmezufuhr in das Wirbelbett zurückgeführt werden, wird wenigstens ein Teil des Wärmebedarfs durch heiße Gase, die in das Wirbelbett oberhalb des Gasverteilers und der Rückführleitung für Feststoffe in Höhe einer Schachterweiterung eingetragen werden, gedeckt (DE-PS 10 92 889).

Den beschriebenen Verfahren ist eine nicht befriedigende Wärmeausnutzung gemeinsam. Hinza kommt, daß die gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffes ohne Oberhitzungserscheinungen schwierig bzw. unmöglich isL Die Verlegung der Verbrennung in eine Brennkammer außerhalb des Ofens erfordert besonders bei Hochtemperaturverfahren aus Gründen der Wärmewirtschaftlichkeit hohe, von der Werkstoffseite her schwer zu beherrschende Verbrennungstemperaturen.

Mit dem eingangs zitierten, aus der DE-OS 17 67 628 bekannten Verfahren gelang es, diesen Stand der Technik zu verbessern. Mit der weitestgehenden Ausnutzung der Abwärme von Abgas und ausgetragenem Feststoff war eine maximale Brennstoffausnutzung, d. h. optimale Wärmeverbrauchszahl, erreicht Die Verbrennung in zwei Stufen, nämlich zunächst nur mit Fluidisierungsluft unterstöchiometrisch im Bereich hoher Dispersionsdichte, dann in Gegenwart von Sekundärluft stöchiome- trisch bzw. geringfügig überstöchiometrisch schloß Überhitzungen einzelner Bereiche des Wirbelbettes aus. Hohe Temperaturkonstanz und genaue Temperatursteuerung waren möglich. Trotz dieser großen Vorteile weist dieses bekannte Verfahren einen Nachteil dann auf, wenn aus reaktionstechnischen Gründen, z. B. wegen Phasenunwandlungen oder Erzielung hoher Endumsätze, hohe Mindestverweilzeiten der Feststoffe im Reaktorsystem erforderlich sind. Zwar ist auch eine hohe Mindestverweilzeit durch Vergrößerung der Ofenhöhe erreichbar, jedoch steigt hierbei der Druckvcriust im Wirbeischichtreaktor und damit der Energiebedarferheblich an.

Eine Erhöhung jedoch nur der mittleren Verweilzeit ist erreichbar entweder bei konstanter Suspensionsdichle im Wirbeischichtreaktor durch Herabsetzung der Produktionsmenge (gleicher Druckverlust) oder bei konstanter Produktionsmenge durch Vergrößerung der Suspensionsdichte, was mit einem starken Anwachsen des Druckverlustes und der Feststoffrezirkulation weit über das technisch e-forderliche Maß hinaus verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist, unter Beibehaltung der Vorteile des eingangs genannten Verfahrens die vorstehend im Zusammenhang -nit hohen Mindestverweiizeiten bzw. mittleren Verweilzeiten erwähnten Nachteile zu beseitigen, ohne gleichzeitig einen zusätzlichen verfahrensmäßigen Aufwand in Kauf nehmen zu müssen.

Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art mit den Maßnahmen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 ausgestaltet wird.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt mithin in einem im wesentlichen aus einem Wirbeischichtreaktor und einem Verweilzeitreaktor bestehenden System, indem die einzelnen Phasen der Gesamtreaktion entsprechend den reaktionstechnischen Erfordernissen den beiden Reaktoren zugeordnet werden. Der bei endothermen Prozessen den Hauptanteil des Wärmebedarfs verbrauchende Schritt der Aufheizung der Teilchen erfolgt im Wirbeischichtreaktor (Hauptreaktion). Das Erreichen der endgültigen Produktqualität, das gegenüber der Hauptreaktion eine vergleichsweise längere Reaktionszeit (Nachreaktion),

z. B. aufgrund von Phasenumwandlungen oder Diffusionsprozessen, erfordert und nur noch einer geringen Wärmezufuhr bedarf, geschieht dann im Verweilzeitre aktor. Teilchen im Korngrößenbereich von beispielsweise 20 bis 300 μίτι, bezogen auf die mittlere Korngröße dpso, werden sehr rasch aufgeheizt und reagieren aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche sehr schnell, so daß in den meisten Fällen ca. 90% der Gesamtreaktion bereits nach dem ersten Verlassen des Wirbelschichtreaktors abgelaufen sind. Die restliche Reaktion erfolgt dann wirtschaftlicher sowie produkt- und apparateschonender im Verweilzeitreaktor.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Möglichkeit einer intensiven Wärmezufuhr im Wirbeischichtreaktor mit den Vorteilen der weichen, weil zweistufigen Verbrennung. Dabei kann die zweistufige Verbrennung derart geleitet werden, daß eine insgesamt nahstöchiometrische Verbrennung resultiert Diese Form der Verbrennung ist dann zweckmäßig, wenn z. B. für Entwässerungs- oder Brennprozesse eine annähernd neutrale Ofenatmosphäre erv·. -Tischt ist. Sofern nach dem erfindungsgemäßen Verfahre 1 ein Reduktionsprozeß durchgeführt werden soll, wird die Dosierung der Sekundärluft derart bemessen, daß eine mehr oder weniger stark reduzierende Atmosphäre entsteht. In der Ie" -tgenannten Ausführungsform kann durch Einleiten von, ggf. vorgewärmter. Luft eine Nachverbrennung des Reaktorabgases vor Eintritt in die Schwebeaustauscher vorgenommen werden.

Die aus den obengenannten Verweilzeiterfordernissen resultierenden Nachteiie werden vermieden durch den Eintrag der von den Gasen abgeschiedenen Feststoff in den Verweilzeitreaktor, von dem gerade so viel Feststoff zurückgeführt wird, als zur Einstellung der Suspensionsdichte im Wirbeischichtreaktor und als gegebenenfalls zur Vermeidung nennenswerter Temperaturunterschiede im Gesainisystem Wirbeischichireaktor/Verweilzeitreaktor notwendig ist.

Erfindungsgemäß werden die Betriebsbedingungen im Wirbeischichtreaktor und die Rückführung von Feststoff aus dem Verweilzeitreaktor unter Berücksichtigung des neu aufgegebenen Materials derart gewählt, daß in der Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung eine Suspensionsdichte entsprechend einem Volumenanteil des Feststoffes am Reak'orraum von 2 bis 20% resultiert. Dies entspricht bei einer Dichte des Feststoffes von 1,5 kg/1 einer Suspensionsdichte von 30 bis 300 kg/m³ und bei einer Dichte des Feststoffes von 5 kg/l einer Suspensionsdichte von 100 bis 1000 kg/m³. Die Suspensionsdichte oberhalb der Sekundärluftleitung sollte derart gewählt werden, daß der Volumenanteil des Feststoffes am Reaktorvolumen 0,2 bis 2% beträgt. Bei den vorgenannten Dichten der Feststoffe entspricht dies einer Suspensionsdichte von 3 bis 30 kg/m³ bzw. 10 bis 100 kg/m³. Bei den vorgenannten Bedingungen herrscht im Wirbeischichtreaktor ein Druckverlust von etwa 250 bis 900 mm WS.

Bei Definition dieser Betriebsbedingungen über die Kennzahlen von Fmude und Archimedes ergeben sich die Bereiche:

0,1 < 3/4

0,1 <Ar< 100,

wobei

Ar -^s-

ist.

Es bedeuten:

Fr die Froudezahl

Ar die Archiinedeszahl

pg die Dichte des Gases in kg/m^J

pt die Dichte des Feststoffteilchens in kg/m³

c/t den Durchmesser des kugelförmigen Teilchens in

ν die kinematische Zähigkeit in m²/sec

g die Gravitationskonstante in m/sec².

Die Suspensionsdichte im Verweilzeitreaktor ist demgegenüber aufgrund der geringen Fluidisierungsgasgeschwindigkeit, die im wesentlichen lediglich eine Durchmischung des Feststoffs bewirken soll, erheblich höher. Um den vollen Nutzen des Verweilzeitreaktors auszuschöpfen, sollte sie derart sein, daß der Feststoffanteil am Gesamtvolumen größer als 35% beträgt. Ebenfalls unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Dichten entspricht dies einer unteren Suspensionsdichte von 560 kg/m³ bzw. 1750 kg/m³.

In der Definition bezüglich Froude und Archimedes ergeben sich der gleiche Archimedeszahlbereich wie im Wirbelschichtreaktor und eine Froudezahl entsprechend

3/4 · Fr

10"

Die Abmessung von Wirbelschichtreaktor und Verweilzeitreaktor relativ zueinander werden im wesentlichen von der zur Erzeugung einer bestimmten Produktqualität erforderlichen mittleren Gesamtverweilzeit und vom spezifischen Wärmeverbrauch des endothermen Prozesses bestimmt. Bei vorbestimmter Suspensionsdichte im Wirbelschichtreaktor und vorbestimmter Brennstoffmenge pro Zeiteinheit ist mit steigendem (sinkendem) Wärmebedarf der zugeführte Anteil an frischem Feststoff zu erniedrigen (erhöhen) und die aus dem Verweilzeitreaktor zurückzuführende Feststoffmenge zu erhöhen (erniedrigen). Im allgemeinen ist es vorteilhaft, die mittlere Verweilzeit der Feststoffe im Wirbelschichtreaktor auf 10 bis 30 Minuten und im Verweilzeitreaktor auf das 2- bis 1 Ofache einzustellen.

Bei der Definition der mittleren Verweilzeit im Wirbelschichtreaktor geht die aus dem Verweilzeitreaktor rückgeführte Feststoffmenge mit ein und ist errechenbar aus der Summe der mittleren Suspensionsdichten in beiden Reaktoren bezogen auf die stündliche Produktmenge.

Die Wahl der Fluidisierungs- und Sekundäriuftmengen, insbesondere aber die Aufteilung beider Gasströme und die Höhe der Sekundärluftzuführung, geben zusätzliche Regelungsmöglichkeiten an die Hand.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Sekundärluft in einer Höhe zugeführt, die bei 10 bis 30% der Gesamthöhe des Wirbelschichtreaktors liegt Das Verhältnis von dem Wirbelschichtreaktor zugeführter Sekundärluft zu Fluidisierungsluft wird zweckmäßigerweise auf 10 : 1 bis 1 :1 eingestellt.

Sofern beispielsweise wegen des geringen spezifischen Wärmeverbrauchs eine nur geringe Rückführung von Feststoff aus dem Verweilzeitreaktor, andererseits aber eine vergleichsweise lange Gesamtverweilzeit erforderlich ist, ist es zweckmäßig, im Verweilzeitreaktor durch direkte Brennstoffzugabe zuzuheizen. Im Hinblick auf die Temperatur im System dient dann die Zirkulation nicht der vollständigen Deckung, z. B. der Ab-Strahlungsverluste des Verweilzeitreaktors, sondern lediglich der Feinregulierung.

Obgleich der Verweilzeitreaktor regelmäßig allein dazu bestimmt ist, den Hauptanteil der Gesamtverweilzeit bereitzustellen, können auch zusätzliche Beeinflussungen des Feststoffes oder Reaktionen mit dem Feststoff herbeigeführt werden. Hierzu kann beispielsweise anstelle von Luft Inertgas zur Fluidisierung verwendet und/oder zur Teilchlorierung oder -fluorierung Chlor oder Fluor eingeführt werden.

Um eine hohe Warmewirtscnaiiiiciikeii des Verfahrens zu erzielen, ist es vorteilhaft, das dem Prozeß zu unterwerfende Material in an sich bekannter Weise mit dem Abgas des Wirbelschichtreaktors, vorzugsweise in Schwebeaustauschern, vorzuerhitzen und/oder zu entwässern.

Eine vorteilhafte Steuerung der Abgastemperatur bei insbesondere feuchtem Aufgabegut ist dadurch erzielbar, daß das dem endothermen Prozeß zu unterwerfende Mate/ial dem Wirbelschichtreaktor teilweise direkt und teilweise indirekt nach Entzug von Wärme des Abgasstromes aufgegeben wird. Durch geeignete Aufteilung kann beispielsweise eine für die Reinigung des Abgases im Elektrofilter vorteilhafte Temperatur eingestellt oder aber lediglich eine Unterschreitung des Taupunktes vermieden werden.

Im Hinblick auf eine weitgehende Wärmewirtschaftlichkeit sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, den abgeführten Feststoffteiistrom in einem Wirbelkühler, der vorzugsweise mehrere nacheinander durchfließbare Kühlkammern aufweist, zu kühlen. Dieser Wirbelkühler kann zur Vorwärmung der Sekundärluft und/oder — durch zusätzlich in die Kammern eintauchende Kühlregister — auch zur Vorwärmung von Fluidisierungsluft für den Wirbelschichtreaktor und/oder für den Verweilzeitreaktor dienen.

Zur Fluidisierung des Wirbelkühlers kann — insbesondere bei Reduktionsprozessen, bei denen eine Reoxidation des Reaktionsproduktes vermieden werden muß — anstelle von Luft auch Inertgas verwendet werden, das im Kreislauf über einen Wärmeaustauscher, beispielsweise einen Venturiwäscher mit direktem Wassereintrag, zwecks Kühlung und ggf. Reinigung geführt wird. Zur Verstärkung der Kühlwirkung kann in den Wirbelkühler Wasser eingespritzt werden.

Die den Reaktoren zugeführten Gasmengen werden zweckmäßigerweise derart gewählt, daß im Wirbelschichtreaktor eine Gasgeschwindigkeit von 3 bis 15 m/ see, vorzugsweise 4 bis 10 m/sec, und im Verweilzeitreaktor Geschwindigkeiten von 0,1 bis 03 m/sec jeweils auf den leeren Reaktor bezogen, herrschen.

Die Arbeitstemperaturen sind in weiten Grenzen beliebig und richten sich nach den Gegebenheiten des beabsichtigten Prozesses. Die Temperaturen können in einem Bereich liegen, der nach unten etwa durch die Zündtemperatur des Brennstoffes und nach oben bis etwa 1500° C begrenzt ist

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar für

1) Entwässerungsprozesse kristalliner, anorganischer Verbindungen, wie Magnesium-, Eisen- oder Aluminiumhydroxid,

2) Brennprozesse, z. B. für Kalk, Dolomit, Entsäuern von Zement, Spaltprozesse für Eisensulfat oder Magnesiumsulfat, wobei es vorteilhaft sein kann, bei Spaltprozessen in schwach reduzierender Atmosphäre zu arbeiten,

3) metallurgische Prozesse bei hohen Temperaturen, z. B. Oxidation von Ilmenit, Reduktionsprozesse mit langer Endreduktionszeit.

Die Erfindung wird anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele beispielsweise und näher erläutert. Es veranschaulicht

F i g. 1 eine schematische Darstellung von Wirbelschichtreaktor und Verweilzeitreaktor,

F i g. 2 ein Fließschema der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens mit Abgas- und Feststoffkühlung,

F i g. 3 ein Fließschema der bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens für Prozesse mit reduzierender Atmosphäre.

In der Darstellung gemäß F i g. 1 wird in den Wirbelschichtreaktor 1, der über Leitung 2 mit Fluidisierungsgas beaufschlagt wird, über Leitung 3 frisches oder bereits vorgewärmtes Gut aufgegeben. Der Eintrag von Sekundärluft erfolgt über die Zufuhrleitung 4, der von Brennstoff über Leitung 5. Der durch die herrschenden Betriebsbedingungen aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragene Feststoff wird im oberen Bereich des Verweilz?itreaktors 6 vom Gas abgetrennt und gelangt in den unteren durch die Zuführung von Gas über Leitung 7 schwach fluidisierten Bereich. Die kontrollierte Rückführung von Feststoff in den Wirbelschichtreaktor 1 geschieht über Leitung 8, die Entnahme über Austragsvorrichtung 9. Mit 10 ist eine zusätzliche Brennstoffleitung zum eventuellen zusätzlichen Beheizen des Verweilzeitrcakiors 6 angedeutet.

Im Fließschema gemäß F i g. 2 wird der frische Feststoff über eine Dosiervorrichtung 11 einem mit den Abgasen des Wirbelschichtreaktors 1 beaufschlagten Schwebeaustauschersystem zugeführt. Es gelangt zunächst in den im Gasfluß gesehen zweiten S~hwebeaustauscher 15, wird aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit mit dem Gas ausgetragen, in den Abscheidern 16 und 17 vom Gas getrennt und dann über Leitung 18 dem gasseitig ersten Schwebeaustauscher 12 zugeleitet. Nach erneutem Austrag über Leitung 13 und Abscheidung im Abscheider 14 gelangt er schließlich über Leitung 3 in den Wirbel^rchichtreaktor. Das aus dem Feststoffabscheider 17 austretende Gas wird über Leitung 19 einer Gasreinigung (nicht dargestellt) zugeführt.

Im Wirbelschichtreaktor 1 wirbelt der Feststoff in der Zone zwischen Fluidisierungsluftzuführung 2 und Sekundärluftzuführung 4 mit vergleichsweise hoher Suspensionsdichte. Oberhalb der Sekundärluftleitung 4 herrscht eine demgegenüber geringere Suspensionsdichte. Der von den Gasen ausgetragene Feststoff wird im Verweilzeitreaktor 6 abgeschieden und durch Zugabe von Gas mit geringer Geschwindigkeit über Leitung 7 gerade in leichter Wirbelbewegung gehalten. Ober Leitung 8 wird kontrolliert ein Feststoffteilstrom in den Wirbelschichtreaktor 1 zurückgeführt und über die Austragsvorrichtung 9 ein weiterer Feststoffteilstrom über Gasleitung 23 und Zyklon 24 einem Wirbeikühier 30 zugeleitet Der Wirbelkühler 30 weist Kühlkammern 31,32,33 und 34, in die jeweils ein durchgehendes Kühlregister 21 eintaucht, auf. Die über Leitung 22 zugeführte Fluidisierungsluft wird in der Leitung 23 gesammelt, im Zyklon 24 weitgehend von Feststoff befreit und als Sekundärluft über Leitung 4 in den Wirbelschichtreaktor 1 eingeführt. Die durch Kühlregister 21 geführte Luft gelangt als Fluidisierungsluft in den Wirbelschichtreaktor 1 über Leitung 2. Das gekühlte Gut wird über Leitung 25 ausgetragen, nachdem es in zwei mit Wasser gekühlten Kammern 26 und 27 indirekt nachgekühlt worden ist.

Eine Variante in der Ausführung des Verfahrens besteht darin, einen Teil der aus dem Zyklon 24 austretenden Luft über Leitung 29 dem aus dem Verweilzeitreaktor 6 austretenden Gas, z. B. zwecks Nachbrennung reis duzierender Bestandteile, zuzuführen. Auch kann ein Teil der von den Abscheidern 16 und 17 niedergeschlagenen Feststoffe unter Umgehung des gasseitig ersten Schwebeaustauschers 12 direkt dem Wirbelschichtreaktor 1 über Leitung 28 zugeleitet werden.
Die Vorrichtung der F i g. 3, die speziell für Reduktionsprozesse konzipiert ist, weist hinsichtlich des Wirbelkühlers 30 insofern eine Abänderung gegenüber dem Wirbelkühler 30 der F i g. 2 auf. als lediglich eine Kühlkammer vorgesehen ist. Die Kühlkammer weist ein Kühlregister 21 zur Vorwärmung von dem Wirbelschichtreaktor 1 als Fluidisierungsluft zuzuführender Luft und ein mit Wasser beaufschlagtes Kühlregister 35 zur Erzeugung von Dampf auf.

Anstelle eines Wirbelkühlers 30 können bei Reduktionsprozessen, bei denen eine Reoxidation des erzeugten Produktes vermieden werden muß, auch ein direkt mit Wasser beaufschlagter Zyklonkühler oder ein indirekt und/oder direkt gekühlter Trommelkühler eingesetzt werden.

Eine weitere Abänderung gegenüber dem Fließschema gemäß Fig.2 liegt in der Zufuhr von Kaltluft über eine separate Leitung 36 anstelle der Leitung 29 gemäß F i g. 2.

B e i s ρ i e I 1

(mit Bezug auf Fig. 2)

Trocknung und Kalzination von filterfeuchtem
Aluminiumhydroxid

Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 2,15 m und einer lichten Höhe von 12 m. Der Eintritt von Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 2,5 m über dem Gasverteiler und der von Heizöl in einer Höhe von 0,4 m über dem Gasverteiler.

Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser von 1,6 m und eine lichte Höhe von 7 m.

Der Wirbelkühler 30 besitzt sechs Kammern, von denen vier (31 bis 34) ausschließlich mit Luft und zwei (26 und 27) indirekt mit Wasser gekühlt werden.

Ober Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 18,2 t filterfeuchtes Aluminiumhydroxid (12% anhaftende Feuchte) dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt eine Temperatur von 400°C. Mit 130⁰C tritt die Gas/ Feststoff-Suspension in die Abscheider 16 und 17. Das Abgas wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff gelangt über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12. Hier bildet sieh mit dem mit 1100⁰C aus dem Verweiizeitreaktor austretenden Gas eine Mischtemperatur von 400⁰C aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Sus-

pension über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1 zuleitet. Die Feststoffmenge beträgt an dieser Stelle noch etwa 11,5 t/h, sein Glühverlust 10%.

Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 3600 NmVh Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit 7100NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30 auf 62O⁰C bzw. 700° C vorgewärmt, sowie mit 860 kg/h schwerem Heizöl (Leitung 5) beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung entsteht eine Temperatur von HOO⁰C.

Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwischen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca. 250 kg/m³ und oberhalb der Sekundärluftleitung 4 ca. 20 kg/m³. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — bezogen auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 5 m/ see.

Die mit den Gasen aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verw'cilZcitFcäiCtOrS υ äugcäCuicucu UHu iffi wntcPtCii gC- sammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 180 Nm³/h nicht vorgewärmter Luft fluidisiert.

Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 10,2 t Aluminiumoxid mit einer Temperatur von 1100⁰C ausgetragen und über¹ Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbelkühler 30 wird mit 7100NmVh Luft fluidisiert, die sich letztlich auf 700° C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte Luft in Mengen von 3600 NmVh heizt sich auf 620° C auf. In den Kühlkammern 26 und 27 erfolgt schließlich noch eine Kühlung mit im Kreislauf geführtem Kühlwasser. Das Aluminiumoxid tritt über 25 mit einer Temperatur von 80° C aus.

Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 1,5 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :3,3 auf.

Die Korngrößenverteilung des erzeugten Aluminiumoxids beträgt;

12% > 90 μηη
48% > 63 μπι
75% > 44 μπι
92% > 25 μπι

Hier bildet sich mit dem mit 950⁰C aus dem Verweilzeitreaktor 6 austretenden Gas eine Mischtemperatur von 500⁰C aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Suspension über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1 zuleitet.

Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 4000 NmVh Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit 9340 NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30

ίο auf650°Cbzw. 700°C vorgewärmt, sowie mit 1080 kg/h schwerem Heizöl (Leitung 5 beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung entsteht eine Temperatur von 950° C.
Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwisehen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca. 250 kg/m³ und oberhalb der Sekundäriuftleitung 4 ca. 20 kg/m³. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — b':- zogen auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 6,9 m/ see.

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ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verweilzeitreaktors 6 abgeschieden und im Unterteil gesammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 186 NmVh nicht vorgewärmter Luft fluidisiert, wobei eine Gasgeschwindigkeit von 0,15 m/sec erzielt wird. Die mittlere Suspensionsdichte beträgt 1000 kg/m³.

Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 12,5 t kalziniertes Material mit einer Temperatur von 950⁰C ausgetragen und über Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbeikühler 30 wird mit 9340 NmVh Luft fluidisiert, die sich letztlich auf 700°C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte Luft in Mengen von 4000 NmVh heizt sich auf 650⁰C auf. In den Kühlkammern 26 und 27 erfolgt schließlich noch eine Kühlung mit im Kreislauf geführtem Kühlwasser. Das Kalzinat tritt über 25 mit einer Temperatur von 100° C aus.

Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 1,0 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :2 auf.

Beispiel 2
(mit Bezug auf F i g. 2)

Kalzination von Dolomit zu CaO ■ MgO

Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 2 m und einer lichten Höhe von 16 m. Der Eintritt von Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 3 m über dem Gasverteiler und der von Heizöl in einer Höhe von 0,5 m über dem Gasverteiler.

Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser von 1,4 m und eine lichte Höhe von 5,5 m.

Über Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 24 t Dolomit dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt eine Temperatur von 500⁰C. Mit 200⁰C tritt die Gas/Feststoff-Suspension in die Abscheider 16 und 17. Das Abgas wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff gelangt über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12.

Beispiel 3
(mit Bezug auf F i g. 3)

Reduktion von Hämatit zu Magnetit

Zur Durchführung des Verfahrens dient ein Wirbelschichtreaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 1,0 m und einer lichten Höhe von 18 m. Der Eintritt von Sekundärluft erfolgt in einer Höhe von 3,0 m über dem Gasverteiler und der von Heizöl in einer Höhe von 0,4 m über dem Gasverteiler.

Der Verweilzeitreaktor 6 besitzt im unteren, unter der Rückführleitung 8 befindlichen Teil einen Innendurchmesser von 1,0 m und eine lichte Höhe von 5 m.

Der Wirbelkühler 30 besitzt eine Kammer, die ein mit Luft beaufschlagtes Kühlregister 21 und ein mit Wasser beaufschlagtes Kühlregister 35 aufweist

Über Dosiervorrichtung 11 werden stündlich 20 t Lateritharz mit der chemischen Analyse

52,6%	Fe^
0,17%	Fe^⁺
9%	SiO₂
7,!%	AI₂O₃
8,7%	Glühverlust

und einem mittleren Korndurchmesser von ca. 60 μπι dem Schwebeaustauscher 15 aufgegeben. Das aus dem

11

Feststoffabscheider 14 austretende Gas besitzt eine Temperatur von 390⁰C. Mit I5O°C tritt die Gas/Feststoff-Suspension in die Abscheider 16 und 17. Das Abgus wird über Leitung 19 abgeführt, der Feststoff gelangt über Leitung 18 in den Schwebeaustauscher 12. Hier bildet sich mit dem mit 750°C aus dem Verweilzeilreaktor austretenden Gas eine Mischtemperatur von 390^cC aus. Mit dieser Temperatur gelangt die Suspension über Leitung 13 in den Abscheider 14, der den Feststoff über Leitung 3 dem Wirbelschichtreaktor 1 zuleitet. Infolge des Glühverlustes beträgt die Feststoffmenge an dieser Stelle noch etwa 18,7 t/h.

Weitere 5,8 t/h des oben näher bezeichneten Erzes werden direkt in den Wirbelschichtreaktor 1 eingetragen.

Der Wirbelschichtreaktor 1 wird mit 1233 Nm³/h Fluidisierungsluft über den Gasverteilerboden und mit 3527 NmVh Sekundärluft, jeweils im Wirbelkühler 30 auf 200⁰C vorgewärmt, sowie mit 421 kg/h schwerem Heizöl (Leitung S) beaufschlagt. Durch zweistufige Verbrennung mit insgesamt Sauerstoffunterschuß entsteht eine Temperatur von 750⁰C und ein reduzierendes Gas, in dem das Verhältnis

^C0 - 0.2

CO + CO₂

beträgt.

Die Suspensionsdichten betragen im Bereich zwischen Gasverteilerboden und Sekundärluftleitung 4 ca. 400 kg/m³ und oberhalb der St!<undärluftleitung 4 ca. 30 kg/m³. Die resultierende Gasgeschwindigkeit — bezogen auf den leeren Reaktor — liegt hier bei ca. 6,3 m/ see.

Die mit den Gasen aus dem Wirbelschichtreaktor 1 ausgetragenen Feststoffe werden im Oberteil des Verweilzeitreaktors 6 abgeschieden und im Unterteil gesammelt. Der Verweilzeitreaktor 6 wird mit 140 Nm³Zh nicht vorgewärmter Luft fluidisiert und durch Eintrag von 15 g/h Heizöl über Leitung 10 zusätzlich beheizt.

Stündlich werden über die Austragsvorrichtung 9 17,66 t Magnetit mit einer Temperatur von 750⁰C ausgetragen und über Leitung 23 und Zyklon 24 in den Wirbelkühler 30 überführt. Der Wirbelkühler 30, in dem eine Reoxidation des Magnetits verhindert werden muß, wird mit 3527 Nm³/h Luft fluidisiert, die sich letztlich auf 200⁰C erhitzt. Die durch das Kühlregister 21 geführte Luft in Mengen von 1223 Nm'/h heizt sich ebenfalls auf 200°C auf. Mittels Kühlregister 35 erfolgt schließlich noch eine Kühlung mit Wasser unter gleichzeitiger Erzeugung von Dampf. Das Magnetit tritt über 25 mit einerTemperaturvon200°Caus.

1060 NmVh Kaltluft werden über Leitung 36 dem reduzierenden Abgas des Verweilzeitreaktors 6 zur Nachverbrennung zugem'scht Bei der Nachverbrennung heizt sich die zugeführte Luft auf 750⁰C auf, so daß als Mischtemperatur die in den Reaktoren 1 und 6 herrschende Gastemperatur erhalten bleibt.

Die Gesamtverweilzeit im Reaktorsystem 1/6 beträgt 0,5 h und teilt sich auf den Wirbelschichtreaktor 1 und den Verweilzeitreaktor 6 wie 1 :5 auf.

Die Korngrößenverteilung der erzeugten Magnetits beträgt:

100% < ΙΟΟμπι
52% < 62,5 μπι

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung endothermer Prozesse bei einem Wirbelschichtzustand mit stark aufgelockerter Wirbelschicht und einem Gefälle der Feststoffkonzentration von unten nach oben sowie Austrag der Feststoffe zusammen mit den Gasen am oberen Teil des Schachtes, wobei die Feststoffe vom Gas getrennt und mindestens teilweise in den Wirbelschichtreaktor zurückgeführt werden, das dem Prozeß zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor aufgegeben und Sekundärluft oberhalb des Gasverteilers zugeleitet werden sowie die zur Durchführung der Reaktion erforderliche Beheizung durch Zufuhr von Brennstoff in die Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftleitung erfolgt dadurch gekennzeichnet, daß man die vom Gas abgetrennten Feststoffe in einen mit geringer Geschwindigkeit fluidisierten Verweilzeitreaktor (6) utEf-i Einstellung einer Suspensionsdichte entsprechend einem Feststoffvolumenanteil an der Volumeneinheit des Verweilzeitreaktors (6) von größer als 35% einträgt,

einem Feststoffteilstrom in den Wirbelschichtreaktor (1) zur Einstellung einer Suspensionsdichte entsprechend einem Volumenantdl des Feststoffes an der Volumeneinheit des Wirbelschichtreaktors (1) von 2 bis 20% in der Zone zwischen Gasverteiler und Sekundärluftzuführung (4) und einer Suspensionsdichte entsprechend einem Volumenanteil des Feststoffes ai. der Volumeneinheit im Wirbelschichtreaktor (1) von 0,2 bis.?% in i'r Zone oberhalb der Sekundärluftzuführung kontrolliert rückführt, und
ein weiterer Feststoffteilstrom r-ih hinreichend langer Verweilzeit abführt, ausgenommen die thermische Spaltung von Aluminiumchiöridhydrat mit KaI-zination zu Aluminiumoxid.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Feststoffe im Wirbelschichtreaktor (1) auf 10 bis 30 Minuten eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der An Sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verweilzeit der Feststoffe im Verweilzeitreaktor (6) auf das 2- bis lOfache der mittleren Verweilzeit im Wirbelschichtreaktor (1) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft in einer Höhe entsprechend 10 bis 30% der Höhe des Wirbelschichtreaktors (1) zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von dem Wirbelschichtreaktor (1) zugeführter Sekundärluft zu Fluidisierungsluft auf 10:1 bis 1 :1 eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verweilzeitreaktor (6) beheizt wird.

/. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Prozeß zu unterwerfende Material mit den Abgasen des Wirbelschichtreaktors (1), vorzugsweise in Schwebeaustauschern (12), (14), (15), vorerhitzt und/ oder entwässert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das

dem Prozeß zu unterwerfende Material dem Wirbelschichtreaktor (1) teilweise direkt und teilweise indirekt nach Entzug von Wärme des Abgases aufgegeben wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeführte Feststoffteilstrom in einem Wirbelkühler (30), der vorzugsweise mehrere nacheinander durchfließbare Kammern (31,32,33,34) aufweist, gekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeführte Feststoffteilstrom in einem mit Kühlregistern (21) zur Aufheizung der Fluidisierungsluft ausgestatteten Wirbelkühler (30) und/oder Vorwärmung der Sekundärluft für den Wirbelschichtreaktor gekühlt wird.