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Anlagenbau

Fließbett oder Sprührost: Fortschritte in der Entwicklung von Salzsäure-Regenerationsanlagen

22.08.2007 | Autor / Redakteur: Dr. Dipl.-Ing. Wolfgang Kladnig / Dr. Jörg Kempf

Sprühröstanlagen wie diese dienen neben Fließbettanlagen zur vollständigen Regeneration abgestumpfter Beizsäure. Bilder: Acreg
Sprühröstanlagen wie diese dienen neben Fließbettanlagen zur vollständigen Regeneration abgestumpfter Beizsäure. Bilder: Acreg

Für die Regeneration von Salzsäure-Beizen stehen sowohl Sprühröst- als auch Fließbettanlagen zur Verfügung. Der Beitrag stellt beide Verfahren vor und zeigt, welche Neuerungen es für die Abgaswäsche gibt.

Seit den 60er Jahren ist das Beizen mit Salzsäure ein etabliertes Verfahren zur Behandlung von Stahloberflächen. Für die Regenerierung der eisenhaltigen Beizlösungen stehen zwei konkurrierende Verfahren zur Verfügung: das Sprühröstverfahren, Bauart Ruthner, und das Fließbettverfahren, Bauart KCH (Keramchemie). Gemeinsam ist ihnen, dass sie die Salzsäure vollständig regenerieren und diese im geschlossen Kreislauf wieder in den Beizprozess zurückführen. Des Weiteren entsteht Eisenoxid, das als wertvoller Rohstoff u.a. für die Ferriterzeugung, die Pigmentproduktion, die Keramikindustrie oder die Stahlverarbeitung dient. Beide Regenerierungsverfahren nutzen die thermische Zersetzung, unterscheiden sich jedoch in der Betriebsführung und dem gewonnenen Endprodukt. Sprühröstanlagen bringen feinpulvriges Eisenoxid (Hämatit, Fe2O3) mit einer Schüttdichte von 0,3 t/m3 hervor. Mit dem Fließbettverfahren wird kompaktes Eisenoxid mit einer Dichte von 3,5 t/m3 gewonnen.

Sprühröstanlagen

Die Altsäure wird aus speziellen Tanks über Kreiselpumpen und eine leistungsfähige Hochdruckpumpe bei einem Druck von 3 bis 5 bar über eine Sprühlanze mit aufmontierten Sprühdüsen in einen beheizten Rektor eingedüst. Mit Öl oder Erdgas betriebene Hochleistungsbrenner beheizen den Reaktor. Die Umsetzung erfolgt bei einer Brennzonentemperatur von 800 °C im Gegenstromprinzip. Das umgesetzte Eisenoxidpulver wird am Reaktorboden über einen Brecher und eine Austragsschnecke via Saugförderung in einen Oxidpulvertank gefördert und von dort aus periodisch abgesackt. Mitgerissene Pulveranteile werden in einem Zyklon aus dem am Reaktorkopf austretenden Abgasen ausgeschieden und in den Reaktor rückgeführt. Die heißen Abgase passieren schließlich einen Venturiwäscher, der gleichzeitig im thermischen Austauschverfahren die eintretende Säurelösung vorwärmt. Die säurehaltigen Abgase kommen in einen Absorberteil (Füllkörperkolonne), der mit Prozesswasser beaufschlagt wird. Dabei werden die Abgase in eine etwa 20-prozentige HCl-Lösung umgewandelt, die zurück in den Beizbetrieb geht. Restanteile von HCl-Gas sowie in geringsten Anteilen gebildetes Cl2-Gas und Feinstpulveranteile an Eisenoxid werden in den nachfolgenden Kolonnen, wie Chlorgas-Kolonne und dem Wäscher, quantitativ abgeschieden.

Das im Reaktor erzeugte Sprühbild der salzsauren Eisenchloridlösung ist von entscheidender Bedeutung für den vollständigen Ablauf der Umsetzung und damit für eine maximale Ausbeute an regenerierter Salzsäure und für eine einwandfreie Abröstung zu möglichst chloridfreiem Eisenoxid. Weitere Details der Prozessführung liegen in der Wahl des geeigneten Verhältnisses Brennergas zu Verbrennungsluft (dem λ-Verhältnis), der Rektorgeometrie, der Wahl der Brennzonentemperatur sowie letztlich dem Austrag, der Abpackung und der Lagerung des Eisenoxidpulvers.

Fließbettanlagen

Kernstück einer Fließbett-Anlage ist ein Wirbelschichtbett aus Eisenoxidpellets von 3 bis 5 mm Durchmesser und mit einem spezifischen Gewicht von 3,5 kg/m3, das durch einen von unten in den Reaktor eintretenden Luftstrom in Schwebe gehalten wird. Die Einbringung der Altsäure erfolgt über ein Pumpensystem via Sprühlanzen in den auf 900 bis 1000 °C heißen Reaktor. Das gebildete Eisenoxid wird periodisch aus dem Reaktor-Fließbett ausgetragen und in einem Oxidbunker gesammelt. Die Bildung der Eisenoxidkugeln erfolgt durch permanentes Aufwachsen auf Material, das sich bereits im Reaktor befindet, bis zu einer bestimmten Größe und Schwere und damit bedingter gravimetrischer Ausbringung. Die Vorerwärmung der einzubringenden Altsäurelösung erfolgt in einem Venturisystem im Gegenstromprinzip. Das HCl-haltige Abgas wird in einer einstufigen Waschkolonne über Glockenböden adiabatisch zu etwa 20-prozentiger HCl-Säurelösung rückgewonnen. Die Rückgewinnung der Salzsäure und die Gaswäsche erfolgen im Gegensatz zum Sprühröstprozess in einer einzigen Kolonne. Das HCl-freie Abgas passiert anschließend den Abgasventilator, der das System im Unterdruck hält, und gelangt via Tropfenabscheider im Abgaskamin ins Freie.

Übliche Anlagengrößen bei Sprühröstanlagen sind ein HCl-Durchsatz von 2000 bis 25 000 l/h. Fließbettanlagen werden üblicherweise mit einem Durchsatz von 2000 bis 9000 l/h gebaut, in Sonderfällen auch mit bis zu 11 000 l/h HCl-Durchsatz. Der Betrieb einer Sprühröstanlage ist nur hinsichtlich der Ofendimensionierung und der Lanzeneinsprühtechnik nach oben hin begrenzt. Der Betrieb von Fließbettanlagen hingegen wird aufgrund der Physik des Wirbelbettes an Eisenoxidkugeln schon durch deren Schwere beschränkt.

Umweltschutz

Die in den Beizprozessen verwendeten anorganischen Säuren sind umweltbedenklicher Natur. Zudem entstehen bei der Regeneration der Säuren Chlorgas und Feinstaub, die über das Abgas in die Umwelt gelangen und diese schwer belasten. Für einen verbesserten Umweltschutz hat Acreg, ein Engineering-Spezialist für „turn-key“-Anlagen und das Revamping im Bereich Salzsäureregeneration, zwei technische Neuerungen entwickelt – einen Chlorgaswäscher und einen Spaltrohrventuri.

Chlorgaswäscher

Der geringe Anteil von Mangan im Stahl bewirkt, dass in der Altsäure befindliche und aus dem Stahl stammende Mangan-Gehalte beim thermischen Prozess der Sprühröstung als Oxidationsmittel wirken können. Aus dem Chloridanteil der salzsauren Eisenchloridlösung entsteht dadurch in kleinen Mengen Chlorgas, ein Umweltgift, das quantitativ aus dem Abgas entfernt werden muss.

Diese Aufgabe übernimmt ein Wäschersystem von Andritz. Der so genannte SRP-Prozess wäscht mit abgestumpfter Eisen(II)chloridlösung in einer Waschkolonne die Abgase aus. Acreg bietet nun eine Zusatzwäsche an, in der über eine Füllkörperkolonne mit altsäurehaltiger Waschlösung gearbeitet wird. Im Gegensatz zu anderen Anlagen enthalten diese Sprühröst-Regenerationsanlagen drei Waschkolonnen mit dem Ergebnis, dass kein Chlorgas freigesetzt wird.

Spaltrohrventuri

Speziell bei Sprühröstanlagen, in denen hohlkugelförmiges Eisenoxid entsteht, ist die Staubbelastung vor allem in alten Regenerationsanlagen ein bekanntes Problem. Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass Ultraschall unter Ausbildung seiner stehenden Wellen zu einer Kompaktierung der Feinstaubanteile (0,1 bis 1,0 μm) führt, unter Ausbildung von leicht ausschwemmbaren größeren Partikeln. Eine Weiterentwicklung für Spaltrohrventuris besteht aus folgender Neuerung: Oberhalb des Kehlquerschnittes des Venturis erfolgt zusätzlich Ultraschallbeaufschlagung. Durch den Einbau dieses Systems in thermische Regenerationsanlagen, also sowohl nach dem Sprühröstprinzip als auch nach dem Fließbettprinzip, erfolgt mit der Gaswäsche ein quantitativer Austrag von Eisenoxidpartikeln. Der Venturi wird gemeinsam mit einem Wäscher gebaut und kann damit sowohl die letzte Waschkolonne als auch den Abgaswäscher im Kamin ersetzen.

Der Autor ist Inhaber der ICC-Consulting, Wien.

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