DE3815685C2 - Process for the continuous conversion of sodium sulfate into sodium hydrogen carbonate and gypsum using flue gas and lime - Google Patents
Process for the continuous conversion of sodium sulfate into sodium hydrogen carbonate and gypsum using flue gas and limeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Umsetzung von Natriumsulfat in ammoniakalischer Lösung und Kohlendioxid zu Natriumhydrogencarbonat und Gips.The invention relates to a method for the continuous implementation of Sodium sulfate in ammoniacal solution and carbon dioxide Sodium bicarbonate and gypsum.
Ein solches gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der DE-Patentschrift 3 22 601 bekannt. Such a generic method is for example from the DE Patent 3 22 601 known.
Wie bekannt ist, wird die Anwendung von Verfahren zur Rauchgas entschwefelung auf der Basis alkalisch reagierender Natriumsalze, wie z. B. Natriumsulfit, dadurch eingeschränkt, daß sich bei der Rauchgaswäsche durch Oxidation in größeren Mengen Natriumsulfat bilden kann, das dann als Natrium-Komponente dem Prozeß verloren geht und unter Umständen zu hohen Kosten entsorgt werden muß.As is known, the application of flue gas processes desulphurization based on alkaline sodium salts, such as B. sodium sulfite, limited in that the Flue gas scrubbing through oxidation in large quantities of sodium sulfate can form, which then lost the process as a sodium component goes and may have to be disposed of at high cost.
Als weitere Verfahren zur Gewinnung von Natriumcarbonat werden in der Literatur (Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, 1979, Band 17, Seiten 162-164 und 170-171) der SOLVAY-Prozeß sowie das L´blanc-Verfahren genannt. Beim SOLVAY-Prozeß wird aus Natriumchlorid und Kohlendioxid unter Zuhilfenahme von Ammoniak Natriumcarbonat hergestellt, wobei als Nebenprodukt Calciumchlorid anfällt. Beim noch älteren L´blanc-Verfahren wird Natriumsulfat mit Hilfe von Graphit und Luft bei hohen Temperaturen in Natriumcarbonat umgewandelt. Nachteilig bei diesen beiden bekannten Verfahren ist einerseits der Erhalt des Nebenproduktes Calciumchlorid beim SOLVAY-Prozeß und andererseits das Erfordernis der hohen Temperaturen zum Betrieb des L´blanc-Verfahrens.As a further process for the production of sodium carbonate in the Literature (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 4th edition, 1979, Volume 17, pages 162-164 and 170-171) the SOLVAY process and the L´blanc procedure called. In the SOLVAY process, sodium chloride is made and carbon dioxide using ammonia, sodium carbonate prepared, with calcium chloride as a by-product. The even older one L´blanc process is sodium sulfate with the help of graphite and air at high Temperatures converted to sodium carbonate. A disadvantage of these two The known method is, on the one hand, to obtain the by-product Calcium chloride in the SOLVAY process and on the other hand the requirement of high temperatures to operate the L´blanc process.
Da sich andererseits mit Waschlösungen, die als Absorbens ein reaktionsfähiges Natriumsalz enthalten, weit größere Mengen an Schwefeldioxid abscheiden lassen als unter vergleichbaren Bedin gungen mit einer konventionellen Kalk- oder Kalksteinwäsche, be steht ein Bedürfnis, Verfahren zur Rauchgasentschwefelung auf der Basis von Natriumsalzen durch Minimierung von Betriebsmittelver lusten konkurrenzfähig zu machen.On the other hand, with washing solutions that act as an absorbent contain reactive sodium salt, much larger amounts of Let sulfur dioxide separate than under comparable conditions conditions with a conventional limescale or limestone wash, be there is a need for flue gas desulfurization processes Basis of sodium salts by minimizing operating resource consumption to make competitions competitive.
Die Lösung dieser Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daßThis object is achieved by the method according to the invention characterized in that
- a) eine hoch konzentrierte, ammoniakalische Lösung von Natriumsulfat in einem Wäscher gegen gekühltes Rauchgas, das Kohlendioxid enthält, verrieselt wird, wobei das Verhältnis von Wasservolumen/Gasvolumen 5 bis 30 l/m³ beträgt;a) a highly concentrated, ammoniacal solution of sodium sulfate in a scrubber against cooled flue gas containing carbon dioxide, is trickled, the ratio of water volume / gas volume 5 to Is 30 l / m³;
- b) das durch Reaktion zwischen dem Natriumsulfat und dem Kohlendioxid gebildete Natriumhydrogencarbonat als Niederschlag ausfällt und von der Lösung abgetrennt wird;b) by reaction between the sodium sulfate and the carbon dioxide formed sodium bicarbonate precipitates and is separated from the solution;
- c1) die erhaltene Lösung, die Natriumsulfat, Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumsulfat enthält, über eine zweistufige Entgasungsanlage geführt wird, wobeic1) the solution obtained, the sodium sulfate, ammonium bicarbonate and contains ammonium sulfate, passed through a two-stage degassing plant will, where
- c1a) in der ersten Stufe freies Ammoniak und Kohlendioxid bei einem pH-Wert von 8,2 bis 8,4 durch Verrieselung ausgetrieben werden, undc1a) in the first stage free ammonia and carbon dioxide at one pH from 8.2 to 8.4 can be driven off by trickling, and
- c1b) in der zweiten Stufe gebundenes Ammoniak bei einem pH-Wert von 10 bis 12,5 mit Kalkmilch freigesetzt und über eine Anreicherungskolonne abdestilliert wird, wobei im Sumpf des zweiten Entgasers Calciumsulfat ausfällt; oderc1b) ammonia bound in the second stage at a pH of 10 to 12.5 released with milk of lime and via an enrichment column is distilled off, calcium sulfate in the bottom of the second degasser fails; or
- c2) in einer einstufigen Entgaseranlage Ammoniak bei einem pH-Wert von 8,2 bis 8,4 aus der in Stufe b) erhaltenen Lösung ausgetrieben wird, wobei der pH-Wert durch eine geregelte Dosierung von Kalkmilch im Sumpf der Entgaseranlage eingestellt wird; undc2) in a single-stage degasifier ammonia at a pH of 8.2 to 8.4 is expelled from the solution obtained in stage b), where the pH value through a controlled dosage of milk of lime in the swamp Degasser system is set; and
- d) das ausgetriebene Ammoniak der Reaktionsstufe a) zugeführt wird.d) the expelled ammonia is fed to reaction stage a).
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen folgende chemische Reaktionen zugrunde:The chemical reactions according to the invention are as follows based on:
- a) Umsetzen von Natriumsulfat zu Natriumhydrogencarbonat in ammon iakalischer Lösung durch Begasung mit Rauchgas-Kohlendioxid: Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2CO₂ + 2H₂O → 2NaHCO₃ ↓ + (NH₄)SO₄a) converting sodium sulfate to sodium bicarbonate in ammon iacal solution by fumigation with flue gas carbon dioxide: Na₂SO₄ + 2NH₃ + 2CO₂ + 2H₂O → 2NaHCO₃ ↓ + (NH₄) SO₄
- b) Austreiben von überschüssigem, freien Ammoniak und Kohlendioxid aus der schwach alkalischen ausgeschleusten Waschlösung in der ersten Entgaserstufe: NH₄HCO₃ → NH₃ ↑ + CO₂ ↑ + H₂Ob) expelling excess free ammonia and carbon dioxide from the weakly alkaline discharged washing solution in the first degasser stage: NH₄HCO₃ → NH₃ ↑ + CO₂ ↑ + H₂O
- c) Austreiben von gebundenem Ammoniak nach Alkalisierung mit Kalk milch, wobei Calciumsulfat ausfällt: (NH₄)₂SO₄ + Ca(OH)₂ → 2NH₃ ↑ + CaSO₄ ↓ + 2H₂OWegen der Anwesenheit von Natriumsulfat findet in geringem Um fang noch folgende Umsetzung statt:Na₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄ ↓ + 2NaOHDas Austreiben von Ammoniak ist auch in einem Schritt (c) möglich, wobei dann jedoch zur Vermeidung von Carbonatfällung ein pH-Wert von = 8.3 eingehalten werden muß, was größere Entgaser mit sehr genauer pH-Regelung erfordert.c) Expulsion of bound ammonia after alkalization with lime milk, whereby calcium sulfate fails: (NH₄) ₂SO₄ + Ca (OH) ₂ → 2NH₃ ↑ + CaSO₄ ↓ + 2H₂O Because of the presence of sodium sulfate takes place in low order the following reaction takes place: Na₂SO₄ + Ca (OH) ₂ → CaSO₄ ↓ + 2NaOH The expulsion of ammonia is also possible in step (c), then, however, to avoid carbonate precipitation, a pH of = 8.3 must be observed, which larger degasser with very requires precise pH control.
- d) Wegen der Restkonzentration an gelöstem Carbonat hinter der ersten Entgaserstufe ist der Ausfall von geringen Mengen an Calcium carbonat nach der Alkalisierung mit Kalkmilch möglich: NH₄HCO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + NH₃ ↑ + 2H₂OZur Erzeugung von Reingips wird ausgefallenes Calciumcarbonat mit Schwefelsäure gelöst:CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ ↓ + CO₂ ↑ +H₂Od) Because of the residual concentration of dissolved carbonate behind the first Degassing stage is the failure of small amounts of calcium carbonate possible after alkalization with milk of lime: NH₄HCO₃ + Ca (OH) ₂ → CaCO₃ ↓ + NH₃ ↑ + 2H₂O dissolved with sulfuric acid: CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ ↓ + CO₂ ↑ + H₂O
- e) Das aus der zweiten Entgaserstufe zur Natriumsulfat-Lösestation zurückfließende Sumpfprodukt ist gesättigt mit Gips und muß daher, um bei der Begasung mit Rauchgas Carbonatabscheidung zu vermeiden, vorher carbonisiert werden: CaSO₄ (gelöst) + CO₂ + 2NaOH → CaCO₃ ↓ + Na₂SO₄ + H₂Oe) That from the second degasser stage to the sodium sulfate dissolving station backflow of the bottom product is saturated with gypsum and must therefore, to carbonate separation when fumigated with flue gas avoid being carbonized beforehand: CaSO₄ (dissolved) + CO₂ + 2NaOH → CaCO₃ ↓ + Na₂SO₄ + H₂O
Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand des beiliegenden, bei spielhaften Fließbildes näher erläutert:The method according to the invention is based on the enclosed, at playful flow diagram explained in more detail:
In der Lösestation 1 wird festes Natriumsulfat in die dort vorlie gende ammoniakalische Lösung eingebracht, wobei während des Löse vorgangs die Temperatur merklich absinkt. Die nahezu gesättigte Lösung wird dann in dem, zweckmäßig mit Füllkörpern ausgerüsteten, Wäscher 2 gegen einen über einen Wärmetauscher 13 auf Solltempera tur gekühlten und geregelten Rauchgasstrom verrieselt. Dabei setzt sich, je nach der gewählten Temperatur zwischen 5 und 35°C, ein Teil des Natriumsulfats mit Ammoniak und Kohlendioxid bei einem pH-Wert von 8.2 bis 8.4 zu Natriumhydrogencarbonat und Ammonium sulfat um. Die Ausbeute kann 20 bis 40% betragen, wobei dann, um bilanzmäßig das gesamte, in der Zeiteinheit der Anlage zugegebene Natriumsulfat umzusetzen, die 5- bis 2.5fache Menge Waschlösung über die Pumpe 14 im Kreislauf geführt wird. Je nach der Prozeß führung und der Auslegung und Konstruktion des Wäschers 2 wird sich das Verhältnis Wasservolumen/Gasvolumen zwischen 5 und 30 l bewegen. Das abgeschiedene Natriumhydrogencarbonat wird über eine Entwässerungseinrichtung 3 (Filter, Zentrifuge) abgetrennt und einer Wiederverwertung zugeführt, während das Filtrat über die Pumpe 15 in den Wäscher 2 zurückfließt.In the dissolving station 1 , solid sodium sulfate is introduced into the ammoniacal solution present there, the temperature falling noticeably during the dissolving process. The almost saturated solution is then sprinkled in the, suitably equipped with packing, scrubber 2 against a chilled and regulated flue gas stream via a heat exchanger 13 to set temperature. Depending on the selected temperature between 5 and 35 ° C, some of the sodium sulfate converts with ammonia and carbon dioxide at a pH of 8.2 to 8.4 to sodium hydrogen carbonate and ammonium sulfate. The yield can be 20 to 40%, in which case, in order to implement the balance of the entire sodium sulfate added in the unit time, the 5 to 2.5 times the amount of washing solution is circulated via the pump 14 . Depending on the process management and the design and construction of the scrubber 2 , the ratio of water volume / gas volume will be between 5 and 30 l. The separated sodium bicarbonate is separated off via a dewatering device 3 (filter, centrifuge) and fed for recycling, while the filtrate flows back into the scrubber 2 via the pump 15 .
Aus dem Wäscher 2 wird eine entsprechende Menge der geklärten Lösung, die nun neben Ammoniumsulfat nicht umgesetztes Natriumsulfat und Ammoniumhydrogencarbonat enthält, ausgeschleust und über die Pumpe 16 nach Aufheizung durch den Brüdenkondensator 4 auf 75 bis 95°C in dem, zweckmäßig mit Füllkörpern ausgerüsteten, Entgaser 5 verrieselt. In dem Entgaser 5 werden durch Einblasen von Dampf oder Heißluft oder eine geeignete Heizvorrichtung freies Ammoniak und Kohlendioxid ausgetrieben, wobei 20 bis 50% der entgasten Lösung verdampfen. Die Brüden werden nach Aufheizung in einem Kompressor 7 zur in direkten Beheizung des nachgeschalteten Entgasers 8 verwendet.Is from the scrubber 2 is a corresponding amount of the clarified solution, which now contains ammonium sulfate unreacted sodium sulfate and ammonium bicarbonate, discharged and equipped on the pump 16 by heating by the vapor condenser 4 to 75 to 95 ° C where, advantageously with packings, degassers 5 sprinkles. In the degasser 5 , free ammonia and carbon dioxide are expelled by blowing in steam or hot air or a suitable heating device, with 20 to 50% of the degassed solution evaporating. After heating, the vapors are used in a compressor 7 for directly heating the downstream degasser 8 .
Aus dem Entgaser 5 wird das Sumpfprodukt mit einem pH-Wert von 5 bis 6, das nun neben geringen Mengen Ammoniumhydrogencarbonat noch Natriumsulfat und Ammoniumsulfat enthält, ausgeschleust, in dem Behälter 6 mit Kalkmilch auf einen pH-Wert von 10 bis 12.5 alkali siert und über die Pumpe 17 dem Sumpf des Entgasers 8 zugeführt. From the degasser 5 , the bottom product with a pH of 5 to 6, which now contains sodium sulfate and ammonium sulfate in addition to small amounts of ammonium hydrogen carbonate, is discharged, alkalized in the container 6 with lime milk to a pH of 10 to 12.5 and over the pump 17 is fed to the bottom of the degasser 8 .
Dort wird das gebundene, dann durch die Alkalisierung freigesetzte Ammoniak über eine Füllkörperkolonne angetrieben. Dabei wird die Menge des Rücklaufs so eingestellt, daß im Sumpf des Entgasers noch kein Natriumsulfat auskristallisiert. Das abgetriebene Ammoniak-Dampf gemisch wird ebenso wie das als Heizmedium verwendete Ammoniak/Koh lensäure-Dampfgemisch aus Entgaser 5 dem Brüdenkondensator 4 zugeleitet, dort niedergeschlagen bzw. gekühlt und danach als Löse mittel für frisches Natriumsulfat der Lösestation 1 zugeführt.There the bound ammonia, which is then released by the alkalization, is driven via a packed column. The amount of reflux is adjusted so that no sodium sulfate crystallizes out in the bottom of the degasser. The driven ammonia-steam mixture is fed to the vapor condenser 4 , like the ammonia / carbon dioxide vapor mixture used as a heating medium, from the degasifier 5 , where it is deposited or cooled and then supplied as a solvent for fresh sodium sulfate to the dissolving station 1 .
Das im Sumpf des Entgasers 8 sich abscheidende Calciumsulfat wird zum Teil, um die Gipsübersättigung im Sumpfprodukt abzubauen, über den Behälter 6 wieder in den Entgaser 8 zurückgeleitet, zum Teil in der Entwässerungseinrichtung 9 (Filter, Zentrifuge) abgetrennt und zur Umsetzung von mitgefälltem Calciumcarbonat mittels Schwefel säure zu Gips in den Lösebehälter 10 verbracht. Der dort sich ab setzende Gips wird in der Zentrifuge 11 zu einem verkaufsfähigen Produkt gewaschen und entwässert, das Zentrifugat über die Pumpe 18 in den Lösebehälter 10 zurückgeleitet.The calcium sulfate which separates out in the sump of the degasifier 8 is partly returned to the degasifier 8 via the container 6 in order to reduce the gypsum supersaturation in the sump product, partly separated in the dewatering device 9 (filter, centrifuge) and used to convert the calcium carbonate which has co-precipitated Sulfuric acid is added to gypsum in the dissolving container 10 . The gypsum that settles there is washed and dewatered in the centrifuge 11 to a salable product, the centrifugate is returned to the dissolving container 10 by the pump 18 .
Das in der Entwässerungseinrichtung 9 anfallende Filtrat, das neben geringen Mengen Ammonsulfat und Natriumhydroxid etwas gelöstes Calciumsulfat und hauptsächlich Natriumsulfat enthält, wird über die Pumpe 19 einer Carbonisierungsanlage 12 zugeführt, in der mit tels eines geringen Rauchgas-Teilstroms das gelöste Calciumsulfat mit Kohlendioxid bei einem pH-Wert = 8.3 als Calciumcarbonat ausge fällt, und dieses über die Pumpe 21 in den Lösebehälter 10 verbracht wird. Der Klarlauf der Carbonisierungsanlage 12 wird über eine Kläreinrichtung (Lamellen, Filter) und die Pumpe 20 in die Löse station 1 zurückgeführt. Zur Aufrechterhaltung der Wasser- und der Stoffbilanzen wird vor der Carbonisierungsanlage eine geringe Teil menge als Abwasser verworfen.The filtrate obtained in the dewatering device 9 , which, in addition to small amounts of ammonium sulfate and sodium hydroxide, contains somewhat dissolved calcium sulfate and mainly sodium sulfate, is fed via the pump 19 to a carbonization system 12 , in which the dissolved calcium sulfate with carbon dioxide at a pH with a small flue gas partial stream -Value = 8.3 falls out as calcium carbonate, and this is brought into the dissolving container 10 via the pump 21 . The clear running of the carbonation system 12 is fed back into the release station 1 via a clarifying device (fins, filter) and the pump 20 . In order to maintain the water and material balances, a small part of the amount is discarded as waste water in front of the carbonation plant.
Es ist auch möglich, mit einer entsprechend größer dimensionierten einstufigen Entgaseranlage das im Kreislauf geführte gesamte Ammoniak in einem Schritt auszutreiben. Um die Abscheidung von Calciumcarbonat zu vermeiden, muß dann die Entgasung bei einem pH-wert von 8.2 bis 8.4 betrieben werden, wobei zweckmäßig der pH-Wert durch eine gere gelte Alkalisierung im Sumpf des Entgasers aufrecht erhalten wird.It is also possible with a correspondingly larger dimension single-stage degassing system, all the circulated ammonia to expel in one step. For the separation of calcium carbonate To avoid this, degassing at a pH of 8.2 to 8.4 operated, where appropriate the pH value by a gere valid alkalization is maintained in the bottom of the degasser.
Claims (8)
- a) eine hochkonzentrierte, ammoniakalische Lösung von Natriumsulfat in einem Wäscher gegen gekühltes Rauchgas, das Kohlendioxid enthält, verrieselt wird, wobei das Verhältnis von Wasservolumen/Gasvolumen 5 bis 30 l/m³ beträgt;
- b) das durch Reaktion zwischen dem Natriumsulfat und dem Kohlendi oxid gebildete Natriumhydrogencarbonat als Niederschlag ausfällt und von der Lösung abgetrennt wird;
- c1) die erhaltene Lösung, die Natriumsulfat, Ammoniumhydrogencar bonat und Ammoniumsulfat enthält, über eine zweistufige Entgasungs anlage geführt wird, wobei
- c1a) in der ersten Stufe freies Ammoniak und Kohlendioxid bei einem pH-Wert von 8,2 bis 8,4 durch Verrieselung ausgetrieben werden, und
- c1b) in der zweiten Stufe gebundenes Ammoniak bei einem pH-Wert von 10 bis 12,5 mit Kalkmilch freigesetzt und über eine Anreicherungskolonne abdestilliert wird, wobei im Sumpf des zweiten Entgasers Calciumsulfat ausfällt; oder
- c2) in einer einstufigen Entgaseranlage Ammoniak bei einem pH-Wert von 8,2 bis 8,4 aus der in Stufe b) erhaltenen Lösung ausgetrieben wird, wobei der pH-Wert durch eine geregelte Dosierung von Kalkmilch im Sumpf der Entgaseranlage eingestellt wird; und
- d) das ausgetriebene Ammoniak der Reaktionsstufe a) zugeführt wird.
- a) a highly concentrated, ammoniacal solution of sodium sulfate in a scrubber against cooled flue gas, which contains carbon dioxide, is sprinkled, the ratio of water volume / gas volume being 5 to 30 l / m³;
- b) the sodium hydrogen carbonate formed by reaction between the sodium sulfate and the carbon dioxide precipitates as a precipitate and is separated from the solution;
- c1) the solution obtained, which contains sodium sulfate, ammonium hydrogen carbonate and ammonium sulfate, is passed through a two-stage degassing system, wherein
- c1a) in the first stage free ammonia and carbon dioxide at pH 8.2 to 8.4 are driven off by trickling, and
- c1b) ammonia bound in the second stage is released at a pH of 10 to 12.5 with lime milk and distilled off via an enrichment column, calcium sulfate precipitating in the bottom of the second degasser; or
- c2) ammonia at a pH of 8.2 to 8.4 is expelled from the solution obtained in stage b) in a single-stage degassing system, the pH being adjusted by a controlled metering of milk of lime in the bottom of the degassing system; and
- d) the expelled ammonia is fed to reaction stage a).
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