Untersuchungen über die Verbrennung von Flüssigschwefel mit Sauerstoff und Spaltung von Abfallsäuren in einem Drehofen zur Herstellung von Schwefeldioxid

  • Investigation of the combustion of liquid sulphur with oxygen and decomposition of spent acids in a rotary kiln to produce sulphur dioxide

Schulte, Jochen; Modigell, Michael (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Der Grillo-Prozess dient zur Herstellung von Schwefeldioxid aus festem und flüssigem Schwefel, Abfall-schwefelsäuren und anderen heizwertreichen Abfallstoffen der chemischen Industrie. Die Einsatzstoffe werden in einem Drehofen mit bewegtem Koksbett bei etwa 1000°C unter schwach reduzierender Atmosphäre umgesetzt, wobei Kohlenwasserstoffverbindungen gespalten und Schwefel zu SO2 umgewandelt werden. Für die Zufuhr zusätzlicher Energie ist der Drehofen mit einem Ölbrenner ausgestattet. Die Produktgase aus dem Spaltprozess werden nach Durchlaufen von Nachbrennkammern in einem Abhitzekessel abgekühlt und einem Absorptions-Desorptions-Reaktor zugeleitet. Darin wird hochreines Schwefeldioxid gewonnen und in verflüssigter Form in Druckbehältern für den Vertrieb bereitgestellt. Beim Grillo-Prozess kann sowohl fester als auch flüssiger Schwefel einzeln aber auch gleichzeitig eingesetzt werden. Der Einsatz von Schwefel und dessen Verbrennung mit Luft ist Stand der Technik. Die Verbrennung von flüssigem Schwefel mit reinem Sauerstoff in Kopplung mit dem Spaltprozess wird hingegen bis jetzt nur bei dem Grillo-Prozess praktiziert. In der vorliegenden Arbeit werden die im Drehofen ablaufenden Reaktionen, insbesondere die Verdampfung und Verbrennung von Flüssigschwefel und die Spaltung von Abfallsäuren nach thermodynamischen und reaktionskinetischen Methoden untersucht. Die thermodynamisch gestützte Berechnung der Stoff- und Energieumwandlungen im Grillo-Prozess (Drehofen-Nachbrennkammer-Abhitzekessel) dient der Erfassung der Auswirkungen des Spaltprozesses im Drehofen auf den Gesamtprozess. Eine wichtige Stütze für die Prozessanalyse bilden die Betriebsversuche an der Anlage bei Variation der Art und Menge der Einsatzstoffe. Dabei wurden die Temperaturen und Gaszusammen-setzungen am Ausgang des Drehofens, in der Nachverbrennung sowie im Abhitzekessel kontinuierlich gemessen. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen ist die bisher kaum untersuchte Verbrennung von Flüssigschwefel mit Sauerstoff. Bei der Verdampfung von Flüssigschwefel entstehen gasförmige Schwefelmoleküle von S8 bis S1, deren Anteile in der Gasphase je nach Temperatur und Druck unterschiedlich sind. Dies führt unter anderem zur Beeinflussung der Schwefelverbrennung durch das Sauerstoffangebot im Drehofen. Die Aufrechterhaltung der Schwefelflamme erfordert neben dem Sauerstoffangebot auch ein bestimmtes Tropfenspektrum. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Spaltung von Abfallschwefelsäuren, Teersäuren und heizwertreichen Abfallstoffen im Drehofen. Die Abfallsäuren enthalten auch Kohlenwasserstoffe und Schwermetallverbindungen, die in gelöster Form oder als eigenständige Phasen vorliegen können, die im Drehofen unterschiedlich reagieren, wobei besondere Effekte wie die Zerspaltungsverdampfung (Mikroexplosion) auftreten können. Die bei der Vergasung von Kohlewasserstoffverbindungen häufig auftretende Russbildung findet auch im Drehofen statt und trägt so zur Aufrechterhaltung des Koksbettes bei, das beim Grillo-Prozess sowohl als Wärmespeicher als auch Kohlenstoffvorrat dient. In dieser Arbeit wird die Kinetik der Verdampfung und Verbrennung von Flüssigkeitstropfen unter vereinfachenden Bedingungen beschrieben. Dazu wird zunächst unter Berücksichtigung der Eintragsbedingungen die Größe von Flüssigkeitstropfen berechnet, die in den heißen Gasraum des Drehofens eintreten. Der zeitliche Ablauf der Stoff- und Wärmetransportvorgänge bei der Aufheizung, Verdampfung, Spaltung und Verbrennung von Schwefel- und Abfallsäuretropfen wird auf der Grundlage von einfachen Einzeltropfen-Modellen beschrieben. Auf diese Weise werden die maximalen Tropfen-Durchmesser ermittelt, die im Drehofen umgesetzt werden können. Aus Rechnungen und Betriebs-messungen folgt, dass große Abfallsäuretropfen offensichtlich infolge der Zerspaltungsverdampfung (Mikroexplosionen) fragmentiert werden und so im Drehofen vollständig reagieren können. Ein praktisches Ziel dieser Arbeit besteht in der über die empirischen Betriebstests hinausgehenden Steuerung und Kontrolle des Gesamtprozesses. Dazu dienen die in Kopplung mit Betriebsversuchen durchgeführten thermodynamisch gestützten Prozessberechnungen, bei denen die Stoff- und Energie-Umwandlungen in den einzelnen Reaktoren erfasst worden sind. Bestimmt wurden auch die auch die Mengen und Zusammensetzungen der im Drehofen und in den Nachbrennkammern gebildeten Reaktionsprodukte. Dabei konnte gezeigt werden, dass die verzögerte Umsetzung von Stoffen wie Teersäuren die Energiebilanz im Drehofen und somit den Gesamtprozess beeinträchtigen können. Insgesamt haben die Berechnungen in Gegen¬überstellung mit Messungen die Basis für die praxisrelevante Analyse und Optimierung des Prozesses in der Reaktorkopplung bestehend aus Drehofen, Nachbrennkammer und Abhitzekessel wesentlich verbessert.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik [416110]

Identifikationsnummern