PROCESS TO OBTAIN HIGH-TEMPERATURE REACTIONS

Abstract: 1. Process for carrying out high-temperature reactions between hot gas and previously heated solids, which during the high-temperature treatment lose their ability to flow freely, in a substantially vertical conveyor passage with subsequent cooling and separation from gas, characterized in that the heated solids are supplied from below and in the direction of conveyance trough a burner flame located in the lower region of the conveyor passage (17), they are caused to pass through a sufficiently long reaction zone and after the reaction has been completed they are coded to at least the temperature at which the ability to flow freely is achieved with an unchanged direction of flow by the separate addition of cooling agent downstream in the direction of flow.

Description: Verfahren zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen zwischen Heissgas und zuvor aufgeheizten Feststoffen, die bei der Hochtemperaturbehandlung ihre Rieselfähigkeit verlieren, in einer im wesentlichen senkrechten Förderstrecke mit anschliessender Kühlung und Abscheidung vom Gas. Bei Hochtemperaturreaktionen werden Feststoffe auf Temperaturen erhitzt, die oberhalb der Temperatur liegen, bei der diese Feststoffe ihre Rieseloder FlieBfähigkeit verlieren. Die Einzelpartikeln neigen dazu, miteinander zu verkleben, aneinander zu haften und/oder an der Reaktorinnenwand bzw. in Rohrleitungen Ansätze zu bilden. Ursachen für den Verlust der Rieseloder Fliessfähigkeit können die Reaktionsabläufe der Feststoffe mit der Gasphase oder mit andersartigen Bestandteilen sein. Die vorstehend angesprochenen Probleme können beim Brennen bzw. Sintern von z.B. Tonerde, Kalk, Dolomit, Magnesit und Zementrohmehl auftreten. Es sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen das Ziel verfolgt wird, die prozesstechnisch bedingten Schwierigkeiten zu lösen. So sieht z.B. das Verfahren gemäss DE-AS 23 50 768 u.a. vor, das in einer ersten Zone vorerhitzte Gut in eine zweite Zone durch Passieren einer Flamme auf Endtemperatur zu erhitzen, wobei in die zweite Zone ein die Flamme umgebender Luftstrom eingeführt wird, der die Wandung des Flammenraumes vor Ansatzbildung schützen soll. Diese Massnahme hat insbesondere den Nachteil, dass durch die nicht zu verhindernde Mischung des in die zweite Zone eingeführten Luftstromes mit der zunächst auf ausreichend hohe Temperaturen erhitzte Gas/Feststoff-Suspension eine Abkühlung erfolgt, bevor die Hochtemperaturreaktion abgeschlossen ist. Das heisst es ist nicht gewährleistet, dass die für die Reaktion erforderliche Verweilzeit bei der hohen Temperatur tatsächlich zur Verfügung steht. Bei Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut gemäss DE-PS 28 46 584 mit Vorwärmzone, Kalzinierzone, als Suspensionsreaktionszone ausgebildete Sinterzone und Kühlzone wird zumindest ein Teil des weitgehend kalzinierten Gutes vor Eintritt in die Sinterzone einer gesonderten Wärmebehandlung zur Verflüchtigung der schmelzphasenbildenden Bestandteile unterworfen. Dieser Stand der Technik ist naturgemäss nur auf solche Fälle anwendbar, bei denen der Erhalt der Rieselfähigkeit durch Verflüchtigung schmelzphasenbildender Bestandteile erzielbar ist. In den anderen Fällen lässt sich hierdurch nicht vermeiden, dass bei der Sinterung in der Suspensionsreaktionszone infolge von Umlenkung der Gas/Feststoff-Suspension Ansatzbildungen entstehen können. Nachteilig ist zudem eine zusätzliche Reaktionszone. Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen zwischen Heissgas und zuvor aufgeheizten Feststoffen bereitzustellen, dass die bekannten, insbesondere vorgenannten Nachteile nicht aufweist, eine einwandfreie Verfahrensführung gestattet und zudem universell einsetzbar sowie einfach durchfUhrbar ist. Die Aufgabe wird gelöst, indem das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet wird, dass man die aufgeheizten Feststoffe von unten und in Förderrichtung durch eine im unteren Bereich der Förderstrecke 17 befindliche Brennerflamme einträgt, eine hinreichend lange Reaktionszone durchlaufen lässt und nach Abschluss der Reaktion bei unveränderter Strömungsrichtung durch in Strömungsrichtung nachgeschaltete separate Zugabe von Kühlmittel mindestens auf die Temperatur, bei der Rieselfähigkeit erlangt wird, kühlt. Durch den Eintrag des Feststoffes von unten und in Förderrichtung sowie durch die nachgeschaltete separate Zugabe von Kühlmittel bei unveränderter Strömungsrichtung durchläuft die Gas/Feststoff-Suspension die kritische Reaktionsphase zwischen Aufheizen auf Hochtemperatur und Abkühlung auf eine Temperatur die eine problemlose Handhabung der Gas/Feststoff-Suspension erlaubt, ohne Umlenkung und damit ohne die Möglichkeit einer Ansatzbildung. Durch die nachgeschaltete separate Kühlmittelzugabe lässt sich die den jeweiligen Erfordernissen gerecht werdende Verweildauer bei der erforderlichen Hochtemperatur exakt einstellen. Die in der Förderstrecke einzustellende mittlere Gasgeschwindigkeit ist derart zu bemessen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Feststoff und Wand auftreten. Üblicherweise liegt die mittlere Gasgeschwindigkeit im Bereich von 2 und 10 m/sec (angegeben als Leerrohrgeschwindigkeit). Der Eintritt des vorgewärmten Feststoffes in die Förder strecke geschieht zweckmässigerweise in Form einer Gas/ Feststoff-Suspension durch das Zentrum eines ringförmigen Brenners, der z.B. mit Gas als Brennstoff betrieben wird. Diese Art der Feststoffzuführung gewährleistet eine praktisch augenblickliche Aufheizung auf die erwünschte Temperatur. Sie liegt je nach Einsatzmaterial und angestrebtem Ergebnis etwa im Bereich von 1.300 bis 1.700µC, vorzugsweise zwischen 1.400 und 1.500"C. Die Länge der Förderstrecke bemisst sich nach der erforderlichen vom Reaktionstyp abhängigen Verweildauer. In der Regel sind wenige Sekunden ausreichend, so dass die Länge der Förderstrecke max. 20 m, im allgemeinen 5 bis 15 m, betragen dürfte. Die nach Beendigung der Hochtemperaturreaktion erforderliche Kühlung kann mit gasförmigen, flüssigen oder festen Kühlmitteln erfolgen. Ihr Eintrag sollte in der Weise geschehen, dass eine schnelle Verwirbelung mit der Gas/ Feststoff-Suspension erfolgt und ein In-Kontakt-Kommen mit der Wand der Förderstrecke vermieden wird. Besonders zweckmässig ist ein Eintrag in tangentialer Richtung mit hoher Geschwindigkeit senkrecht zur oder unter einem Winkel bis zu 60" gegen die oder mit der Strömungsrichtung. Im Anschluss an die Kühlung unter die kritische Temperatur erfolgt die Gas/Feststoff-Trennung auf konventionelle Weise, z.B. in einem Zyklonabscheider. Die Aufheizung der der Hochtemperaturreaktion zu unterwerfenden Fest stoffe kann auf jede beliebige Weise erfolgen. Besonders vorteilhaft geschieht die Aufheizung, die im allgemeinen auch mit einer chemischen Reaktion verbunden ist, in einer sogenannten zirkulierenden Wirbelschicht. Die zirkulierende Wirbelschicht zeichnet sich dadurch aus, dass - im Unterschied zur "klassischen" Wirbelschicht, bei der eine dichte Phase durch einen deutlichen Dichtesprung von dem darüber befindlichen Gasraum getrennt ist Verteilungszustände ohne definierte Grenzschicht vorliegen. Ein Dichtesprung zwischen dichter Phase und darüber befindlichem Staubraum ist nicht existent, jedoch nimmt innerhalb des Reaktors die Feststoffkonzentration von unten nach oben ständig ab. Wegen Einzelheiten zum Betrieb von zirkulierenden Wirbelschichten wird auf L. Reh et al "Wirbelschichtprozesse für die Chemieund Hüttenindustrie, die Energieumwandlung und den Umweltschutz", Chem. Ing. Techn. 55 (1983), Nr. 2, Seiten 87-93 sowie die DE-PS 17 67 628 bzw. die US-PS 3 579 616 verwiesen. Der Vorteil der zirkulierenden Wirbelschicht liegt in der hohen Durchsatzleistung pro Reaktorfläche sowie in der Möglichkeit, die Verweilzeit des aufzuheizenden Feststoffes so hoch einstellen zu können, dass die mit der Aufheizung verbundene chemische Reaktion praktisch abgeschlossen ist. Innerhalb des erfindungsgemässen Verfahrens ist dann nur die eigentliche Hochtemperaturreaktion vorzunehmen, d.h. es finden praktisch keine Umsetzungen statt, die auch auf niedrigerem Temperaturniveau durchführbar sind. Nach der Abscheidung der aus der Förderstrecke austretenden Feststoffe erfolgt üblicherweise eine weitergehende Kühlung. Hierzu können herkömmliche Kühler, insbesondere aber Wirbelschichtkühler dienen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die erfindungsgemässe Hochtemperaturbehandlung derart in den Gesamtprozess mit Feststoffaufheizung und abschlieBen- der Kühlung zu integrieren, dass die einzelnen Gasströme wechselseitig Verwendung finden können. Beispielsweise kann im Kühler sauerstoffhaltiges Gas vorgewärmt werden, das dann in die Stufe der Aufheizung und/oder der Hochtemperaturbehandlung eingetragen wird. Weiterhin kann das Abgas der Förderstrecke in die Zone der Aufheizung eingetragen werden. Eine optimale Führung des Gesamtverfahrens besteht darin, die Aufheizung des Aufgabegutes in einer zirkulierenden Wirbelschicht, die ihrerseits mit den Abgasen betriebene Vorwärmer aufweist, und die abschliessende Kühlung in einem Wirbelschichtkühler mit mehreren nacheinander durchflossenenen Kühlkammern vorzunehmen. Die Kühlung des Feststoffes kann direkt und/oder indirekt mit sauerstoffhaltigen Gasen, die dann der Förderstrecke als Fördergas und/oder der zirkulierenden Wirbelschicht als Fluidisierungsgas zugeleitet werden, geschehen. Die im Wirbelschichtkühler verwendeten Fluidisierungsgase können schliesslich der Förderstrecke als Kühlmedium, die Abgase der Förderstrecke der zirkulierenden Wirbelschicht als Sekundärgas dienen. Die Erfindung wird anhand der Figur und des Beispiels näher und beispielsweise erläutert. Die Figur stellt ein Fliessschema einer Verbundschaltung der vorgenannten Art dar. Das zu behandelnde Material wird über eine Dosiervorrichtung 1 einem gasseitig letzten Venturiaustauscher 2 aufge aeben, durch die fühlbare Wärme des Abgases erwärmt und im Zyklonabscheider 3 vom Gas abgetrennt. Es gelangt dann über eine Fördereinrichtung 4 zu einem weiteren Vorwärmsystem, das aus Venturiaustauscher 5 mit zugehörigem Zyklonabscheider 6 und aus Venturiaustauscher 7 mit Zyklonabscheider 8 besteht. Mittels einer Bypass-Leitung 9 kann geförderter Feststoff unter Umgehung einer Vorwärmstufe direkt dem Venturiaustauscher 7 zugeführt werden. Vom Zyklonabscheider 8 wird der Feststoff in ein aus Wirbelschichtreaktor 10, Rückführzyklon 11 und Rückführleitung 12 bestehendes Zirkulationssystem eingetragen. Der Wirbelschichtreaktor 10 wird über Leitung 13 mit Brennstoff, über Leitung 14 mit Fluidisierungsgas und über Leitung 15 mit Sekundärgas versorgt. Nach ausreichend langer Verweilzeit gelangt das aufgeheizte Material über Leitung 16 zum unteren Bereich der Förderstrecke 17 und wird von unten in die aus Brennstoff (Leitung 18) und sauerstoffhaltiges Gas (Leitung 19) erzeugte Brenner flamme eingetragen. Während der Aufwärtsbewegung der Gas/Feststoff-Suspension im unteren Teil der Förderstreke 17 erfolgt die Hochtemperaturreaktion, nach deren Abschluss eine Abkühlung durch über Leitung 20 zugeführte Gase erfolgt. Nach hinreichender Kühlung bei unver änderter Strömungsrichtung wird die Gas/Feststoff-Suspension über Leitung 21 ausgetragen und im Zyklonabscheider 22 getrennt. Der Feststoff gelangt in den Wirbelschichtkühler 23, das Gas über die Leitung 15 als Sekundärgas in den Wirbelschichtreaktor 10. Der Wirbelschichtkühler 23 ist in mehrere vom Feststoff nacheinander durchflossene Kühlkammern aufgeteilt und weist insgesamt drei Kühlabschnitte auf. Im - im Feststofffluss gesehen - ersten heissesten Abschnitt wird sauerstoffhaltiges Gas aufgeheizt, das dann über Leitung 19 der Förderstrecke 17 zugeführt wird. Im zweiten Abschnitt wird die Aufheizung des dem Wirbelschichtreaktor 10 über Leitung 14 zuzuführenden sauerstoffhal tigen Gases vorgenommen. Im dritten Kühlabschnitt erfolgt die Schlusskühlung des Feststoffes mittels Kühlwasser, das über Leitungen 24 und 25 zu- bzw. abgeführt wird. Das gekühlte Produkt wird über Vorrichtung 26 ausgetragen. Die im Wirbelschichtkühler 23 eingesetzten Fluidisierungsgasströme werden gesammelt und über Leitung 20 der Forderstrecke 17 als Kühlmedium zugeleitet. Beispiel: Es soll filterfeuchtes Aluminiumhydroxid in hochgebranntes Aluminiumoxid überführt werden. Aluminiumhydroxid mit einer Feuchte von 12 Gew.% und einer Temperatur von 600C wird in einer Menge von 8,69 t/h über die Dosiervorrichtung 1 dem Venturiaustauscher 2 zuge fuErt. Durch Wärmeaustausch mit den vom Zyklonabscheider 6 herangeführten Gasen von 390"C erfolgt eine Erwärmung des Aluminiumhydroxids auf 1600C und eine Abkühlung des Gases auf etwa die gleiche Temperatur. Mittels der Fördervorrichtung 4 wird das vorgewärmte Aluminiumhydroxid im Venturiaustauscher 5 mit den 510 C heissen Abgasen des Zyklonabscheiders 8 in Kontakt gebracht. Hierbei erfolgt eine Aufheizung des Feststoffes bzw. eine Abkühlung des Gases auf ca. 390"C. Nach erfolgter Gas/Feststoff-Trennung im Zyklonabscheider 6 gelangt der Feststoff in den Venturiaustauscher 7, der mit den Abgasen von 1.150 C der zirkulierenden Wirbelschicht beaufschlagt wird. Infolge der innigen Vermischung entsteht eine Gas/Feststoff-Suspension mit einer Temperatur von 510 C. Nach erneuter Gas/Feststoff-Trennung im Zyklonabscheider 8 gelangt der Feststoff in die zirkulierende Wirbelschicht. Der Wirbelschichtreaktor 10 der zirkulierenden Wirbel schicht wird über Leitung 14 mit 2.000 Nm3/h des Fluidisie- rungsluft von 5800C (aus dem zweiten Abschnitt des Wirbelschichtkühlers 23 stammend), über Leitung 15 mit 3 4.800 Nm3/h Sekundärluft von 1.0200C (aus dem Zyklonab 3 scheider 22 stammend) und über Leitung 13 mit 390 Nm3/h Erdgas versorgt. Dadurch stellt sich eine Temperatur von 1.150"C ein, die über das gesamte aus Wirbelschichtreaktor 10, Rückführzyklon 11 und Rückführleitung 12 gebildete Zirkulationssystem praktisch konstant ist. Nach einer mittleren Verweilzeit von etwa 20 min., während der das Aluminiumoxid vollständig kalziniert ist, wird kontinuierlich ein der Aufgabemenge entsprechender Feststoffstrom über Leitung 16 der Förderstrecke 17 zugeleitet und durch die Brenner flamme bzw. die Brennerabgase auf 1.400"C erhitzt. Der Brenner wird mit 110 Nm3/h Erdgas 3 und 1.200 Nin /h Luft von 6500C (aus dem ersten Abschnitt des Wirbelschichtkühlers 23 stammend) gespeist. Nach ca. 4 sec ist die Hochtemperaturreaktion abgeschlossen. Durch Eintrag von 3.500 Nm3/h Luft einer Temperatur von 470"C (aus dem Wirbelschichtkühler 23 stammend) wird die Gas/Feststoff-Suspension gekühlt. Hierdurch tritt eine Abkühlung der Suspension auf eine Temperatur von 1.0200C ein, bei der ausreichende Rieselfähigkeit des Feststoffes gewährleistet ist. Die Gas/Feststoff-Suspension wird anschliessend im Zyklonabscheider 22 getrennt, das Gas (4.800 Nm3/h) dem Wirbelschichtreaktor 10 als Sekundärgas, der Feststoff dem Wirbelschichtkühler 23 zugeleitet. Im Wirbelschichtkühler 23 wird der Feststoff in mehreren Abschnitten auf Endtemperatur von 800C gekühlt. Hierzu dienen im - in Fliessrichtung des Feststoffes gesehen ersten Abschnitt 1.200 Nm3/h Luft, die auf 6500C aufgeheizt wird, im zweiten Abschnitt 2.000 Nm3/h Luft, die auf 580"C aufgeheizt und im dritten Abschnitt 20 m3/h Wasser, das von 35"C auf 65"C aufgewärmt wird. Die Gasströme werden - wie vorstehend erwähnt - in den Prozess zurückgeführt. Die Produktion beträgt 5 t/h 2 Aluminiumoxid mit einer BET-Oberfläche von 3 m /g.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen zwischen Heissgas und zuvor aufgeheizten Feststoffen, die bei der Hochtemperaturbehandlung ihre Rieselfähig keit verlieren, in einer im wesentlichen senkrechten Förderstrecke mit anschliessender Kühlung und Abschei dung vom Gas, dadurch gekennzeichnet, dass man die auf geheizten Feststoffe von unten und in Förderrichtung durch eine im unteren Bereich der Förderstrecke (17) befindliche Brennerflamme einträgt, eine hinreichend lange Reaktionszone durchlaufen lässt und nach Abschluss der Reaktion bei unveränderter Strömungsrichtung durch in Strömungsrichtung nachgeschaltete separate Zugabe von Kühlmittel mindestens auf die Temperatur, bei der Rieselfähigkeit erlangt wird, kühlt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Fest stoffe in einer durch sauerstoffhaltiges Fluidisierungsgas und sauerstoffhaltiges Sekundärgas betriebenen zirkulierenden Wirbelschicht (10,11,12) aufheizt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass man die Feststoffe unter Verwendung der Abgase der Förderstrecke (17) aufheizt. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass man die vom Gas abgeschiedenen Feststoffe in einem Wirbelschichtkühler (23) kühlt. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der AnsprUche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Feststoffe durch Wärmeaustausch mit sauerstoffhaltigen Gasen kühlt, die nach ihrer Aufheizung in der Stufe der Feststoffauf heizung (10,11,12) und/oder der Hochtemperaturreak tion (17) eingesetzt werden. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Aufheizung des Feststoffes in der zirkulierenden Wirbelschicht (10,11,12) als Fluidisierungsgas (14) im Wirbelschicht kühler (23) indirekt aufgeheiztes sauerstoffhaltiges Gas und als sauerstoffhaltiges Sekundärgas (15) Abgas der Förderstrecke (17) einsetzt.

Inventors: BROEDERMANN, PAUL, SAUER, HARALD, DR., STOCKHAUSEN, WERNER
Applicants: METALLGESELLSCHAFT AG
Application year: 1986
Main classification: F27B15
IPC codes: C04B7, F27B15, B01J8, C01F7, B01J6, C04B2