Warning: fopen(111data/log202002202105.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
Umwandlung von Kalziumverbindungen in feste und gasförmige Verbindungen. - Dokument DE3785919T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3785919T2 28.10.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0272984
Titel Umwandlung von Kalziumverbindungen in feste und gasförmige Verbindungen.
Anmelder Mississippi Chemical Corp., Yazoo City, Miss., US
Erfinder Arnold, David W., Mississippi 39194, US;
McDonald, Daniel P., Gastonia North Carolina 28054, US
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 80336 München
DE-Aktenzeichen 3785919
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 18.12.1987
EP-Aktenzeichen 874029192
EP-Offenlegungsdatum 29.06.1988
EP date of grant 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1993
IPC-Hauptklasse C04B 7/04
IPC-Nebenklasse C01F 7/44   C01F 11/04   C01B 7/19   C01B 25/02   C01B 25/12   B01J 6/00   C04B 2/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Calciumverbindungen in feste und gasförmige Materialien. Unter einem bevorzugten Aspekt betrifft die Erfindung die Umwandlung von Calciumverbindungen in ein gasförmiges Produkt und in ein festes Zementklinkerprodukt. Unter einem anderen bevorzugten Aspekt betrifft sie die Umwandlung von Calciumphosphatmaterialien in Phosphor und dessen Verbindungen.

Zahlreiche Verfahren zur Umwandlung von Calciummineralverbindungen in nützliche Produkte wurden vorgeschlagen. Zum Beispiel ist die Verwendung von Schwefelsäure, um Phosphaterz in Gips und Phosphorsäure zu zersetzen, eine weitverbreitete Technik. Die Umwandlung von Phosphaterz in Phosphor und eine Calciumsilikatschlacke wird praktiziert, um Phosphor für Verwendungszwecke herzustellen, die eine hohe Reinheit erfordern. Eine andere weitverbreitete Technik ist die Umwandlung von Calciumcarbonat und Tonmineralien in einen Zementklinker und Kohlendioxid in einem Drehofen. Diese Verfahren leiden unter dem Mangel, daß sie entweder große Mengen an Energie verbrauchen oder unangenehme Nebenprodukte produzieren, oder beides.

Die Herstellung von Naßphosphorsäure mittels des Aufschlusses von Phosphaterz mit Schwefelsäure produziert ein besonders unangenehmes Abfallprodukt, Phosphogips. Bis heute wurden keine geeigneten Mittel zur Entfernung des Phosphogipses oder seiner Umwandlung in nützliche Produkte entwickelt. Einige Länder beseitigen den Phosphogips, indem sie ihn im Ozean abladen. In den Vereinigten Staaten jedoch wurde der Phosphogips üblicherweise in großen Haufenspeichern zusammengetragen, die mit ihnen in Verbindung stehende Becken mit großen Wassermengen aufweisen.

Phosphogips stellt eine potentielle Quelle für bedeutende Mengen an Calcium und Schwefel dar. Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einem ökonomischen Verfahren, das den Phosphogips in nützliche Calcium- und Schwefelprodukte umwandeln kann.

Es wäre ebenfalls wünschenswert eine neue Technik für die billige, direkte Umwandlung von Phosphaterz in Phosphorsäure zu entwickeln, um die Naßverfahrenstechnik zu beseitigen. Wenn die Naßverfahrenstechnik ersetzt werden könnte, würde das Phosphogipsproblem und die Notwendigkeit nach großen Schwefelsäureanlagen beseitigt werden.

Die einzige Technik, die erfolgreich als Alternative zu dem Naßverfahren vorgeschlagen worden ist, ist die Elektroofentechnik. Dieses Verfahren produziert elementaren Phosphor, der dann oxidiert und hydratisiert werden kann, um Phosphorsäure zu bilden. Phosphorsäure, die unter Verwendung des Elektroofenverfahrens hergestellt wird, ist jedoch, da sie äußerst rein ist, zu teuer, um in großem Maßstab in der Düngemittelindustrie, dem Hauptverbraucher von Phosphorsäure in der Welt, nutzbar gemacht zu werden. So fand die Säure aus dem Elektroofen nur in denjenigen Anwendungen Verwendung, wo eine hohe Reinheit gefordert ist, wie in Lebensmitteln, Arzneien oder Kosmetika.

Die ersten belegten Versuche Calciumsulfat in Schwefeldioxid und Zementklinker umzuwandeln, geschahen während des ersten Weltkrieges in Deutschland. W.S. Mueller untersuchte die Zersetzung von Calciumsulfat (Anhydrit) und entwickelte zusammen mit H. Kuhne eine Drehofentechnik, um Calciumsulfat in Schwefeldioxid und Zementklinker umzuwandeln. Darauffolgend wurden andere Anlagen gebaut, um diese Technik an Orten durchzuführen, wo alternative Schwefelquellen entweder nicht vorhanden oder sehr teuer waren. "Industrial and Engineering Chemistry", Band 49, Nr. 8,. August 1957, Seite 1204-1214 enthält eine Zusammenfassung von Hull et al über die Bemühungen, die gemacht wurden, um Anhydrit in Zementklinker und Schwefeldioxid umzuwandeln.

Mit der gestiegenen Verfügbarkeit des Phosphogipses war es darauffolgend natürlich vorzuschlagen, anstelle des Anhydrits, das früher verwendet worden war, den Phosphogips zu nutzen. Diese Verfahren schlossen im allgemeinen eine Behandlung des Phosphogipses, um seinen Gehalt an Phosphor und Fluor zu vermindern, vor der Reaktion mit Siliziumdioxid und anderen zementbildenden Elementen in dem Drehofen ein. Diese Vorbehandlung war notwendig, da das in dem Phosphogips vorhandene Phosphor und Fluor zu in dem Zementklinkerprodukt eingelagerten, übermäßigen Mengen an diesen Elementen führen würde, wodurch sich ein unannehmbarer Zement ergibt. Obwohl zahlreiche Reinigungsverfahren entwickelt worden waren, erreichte keines davon den Status als einer anerkannten Praxis, da all diese Verfahren sich als zu teuer erwiesen. So blieb dieses Verfahren auf die Nutzung von vergleichsweise reinem Phosphogips beschränkt, in dem das Vorhandensein von Fluor, Phosphor und anderen Verunreinigungen minimiert ist. Solch eine Verarbeitung ist jedoch in den meisten Fällen unerschwinglich in den Kosten-und wird wenig verwendet.

Die Drehofentechnik zur Umwandlung des Phosphogipses in Zement und Schwefeldioxid wird in dem Artikel: Manufacture of Cement from Industrial By-Products," Chemistry and Industry, Februar 1971 beschrieben. Die Herstellung von Schwefelsäure und Zement aus Phosphogips unter Verwendung des "OSW-Verfahrens" wird in: Chemical Age of India, Band 27, Nr. 12, Dezember 1976 und in "Getting Rid of Phosphogypsum - II", Phosphorus and Potassium, Nr. 89, Mai/Juni 1977 beschrieben. Die Drehofentechniken nutzen alle eine reduzierende Zone, gefolgt von einer oxidierenden Zone.

Das OSW-Verfahren, das typisch für die Drehofenverfahren ist, weist eine Verweilzeit von über sechs Stunden in dem Hauptbrennofen auf. Diese Brennöfen arbeiten bei Temperaturen unter 1593ºC (2900 Grad Fahrenheit), typischerweise bei ungefähr 1482ºC (2700 Grad Fahrenheit). Diese Verfahren verbrauchen ungefähr 22·10&sup9; J (21 Millionen BTU) pro Tonne Zementklinkerprodukt. Das Phosphogips-Rohmaterial muß 0,5% (w/w) oder weniger P&sub2;O&sub5; und 0,15% (w/w) oder weniger Fluor enthalten, um ein annehmbares Klinkerprodukt zu erzeugen. Die Rohmaterialien werden üblicherweise vor der Verarbeitung pelletiert. Die Brennofengase enthalten typischerweise 9-12% SO&sub2; (auf trockener Basis, volumenbezogen), aber wenn sie mit ausreichender Luft gemischt werden, um bei der Schwefelsäureherstellung das Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid zu oxidieren, wird dieser Strom auf 4-5% SO&sub2; verdünnt. Diese geringe Konzentration an Schwefeldioxid erfordert es, daß größere Behälter und Hilfseinrichtungen als normal bei der Schwefelsäureherstellung angewandt werden. Dies beschränkt die Drehofentechnik auf Schwefelsäureanlagen, die speziell entworfen wurden, um den Produktgasstrom aus dem Drehofen zu nutzen. Somit ist die Drehofentechnik wegen der Erfordernisse einer großen Einrichtung, hoher Phosphogipsreinheit und wegen eines niedrigen Energiewirkungsgrades und einer geringen SO&sub2;- Produktgasstärke eingeschränkt.

Dr. T.D. Wheelock von der Iowa State University studierte die Technik der Zersetzung von Phosphogips in einem Fließbett zur Herstellung von Schwefeldioxid und einem Branntkalkprodukt, wie in der US-Patentschrift Nr. 3.087.790, 3.260.035 und 4.102.989 beschrieben. Wie im Falle der Drehofentechnik schließt die Iowa State-Technik eine reduzierende Zone und eine oxidierende Zone in dem Reaktor ein. Die Iowa-State-Technik erzeugt ein Schwefeldioxid, das in Schwefelsäure umgewandelt werden kann, aber das Branntkalkprodukt ist sehr unrein und besitzt somit einen geringen, wenn überhaupt, Marktwert. Damit die Verfahren zur Zersetzung des Phosphogipses wirtschaftlich rentabel sind, müssen die Calciumnebenprodukte rein genug sein, um einen guten Marktwert aufzuweisen. Deshalb ist die Iowa State- Technik ökonomisch nicht attraktiv.

Es war ebenfalls vorgeschlagen worden, wie von Jonasson et al, World Cement, Dezember 1982, Seite 383-388, Portlandzementklinker aus Phosphogips in einem Lichtbogenofen herzustellen. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, daß Phosphogips in einem Elektroofen in Zementklinker und Schwefeldioxid umgewandelt werden kann, wäre solch ein Verfahren sehr teuer, da eine große Menge an elektrischer Energie verbraucht würde.

Die kommerzielle Herstellung von Phosphor wird in Lichtbogenöfen ausgeführt. Typische Verweilzeiten in diesen Öfen reichen von vier bis neun Stunden, durchgeführt bei Temperaturen von 1232 bis 1455ºC (2250 bis 2650 Grad Fahrenheit). Typische Öfen verbrauchen ungefähr 12.000 kW- Stunden pro Tonne Phosphorprodukt. Die Reaktanten (einschließlich Phosphaterz, Hochqualitätskoks, und Siliziumdioxid) werden üblicherweise durch Pelletierung vor der Einführung in den Ofen agglomeriert. Häufig erfordert das Phosphaterz und das Siliziumdioxid eine Kalzinierung vor dem Pelletieren. Zusätzlich zu dem Produktphosphor, der mit den Prozeßgasen abgeführt wird, erzeugt das Elektroofenverfahren Calciumsilikat- und Ferrophosphorschlacke mit geringem, wenn überhaupt, Wert. Üblicherweise werden diese Schlacken in großen Schlackenhaufen an der Produktionsstätte plaziert.

In der Vergangenheit wurde Phosphor mittels Gebläseschachtofen-Technologie hergestellt. Dieses Verfahren verbrauchte ungefähr 2,4 Tonnen Koks pro Tonne hergestelltem Phosphor. Der Prozeßgasstrom enthielt eine sehr geringe Konzentration an Phosphor und deshalb erforderte das Verfahren große Behälter und großen Kapitalaufwand. Andere Parameter des Betriebs waren denjenigen für den Elektroofen sehr ähnlich.

Das Elektroofen- und das Gebläseofenverfahren leiden beide unter der Notwendigkeit nach großen Mengen an Energie, großen Einrichtungen und unter der Erzeugung großer Schlackehaufen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß wenn das gewünschte Produkt ein Phosphoroxid ist, es diese Verfahren erforderlich machen, daß Energie zur Reduktion des Phosphats in dem Erz zu elementarem Phosphor geliefert wird, und daß darauffolgend der Phosphor zu der gewünschten Oxidform oxidiert werden muß. Dies erfordert einen zusätzlichen Schritt mit einem beachtlichen Energieverlust.

Einige Forscher haben versucht, den Energiebedarf für die Phosphorherstellung durch Reduktion des Phosphaterz es in einem Hochtemperaturplasma zu verringern. Chase et al beschreiben in "Plasma Jet Process for Making Elemental Phosphorus", Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., Band 18, Nr. 2, 1979, Seite 261-266 ein Verfahren, durch das Phosphaterz in einem Hochtemperaturplasma unter Freisetzung von Phosphor reduziert wird. Chase et al waren in der Lage ihre höchste Ausbeute von 81 Prozent bei einer berechneten Reaktoreinlaßtemperatur von 3051ºC (5525 Grad Fahrenheit) und einer Gasverweilzeit (angenähert die gleiche wie bei den Feststoffen) von 0,21 Sekunden zu erhalten. Bei einer Einlaßtemperatur von 2451ºC (4445 Grad Fahrenheit) und einer Verweilzeit von 0,38 Sekunden fiel die Ausbeute auf 56 Prozent. Aufgrund der großen inneren thermischen Gradienten in den plasmachemischen Reaktoren erreichten die Feststoffe ohne Zweifel niemals die Reaktoreinlaßtemperatur. Obwohl solche Verfahren Phosphaterz bei Temperaturen von mehr als 5000 Grad Fahrenheit in sehr kurzer Verweilzeit wirkungsvoll reduzieren, macht der große Verbrauch an elektrischer Energie, der erforderlich ist, um das Plasmagas zu erhitzen, solche Verfahren unwirtschaftlich.

In der U.S.-Patentschrift Nr. 3.481.706 beschreiben Veltman et al ein Verfahren, durch das Phoshor durch die Reduktion von Phosphaterz in einer Flamme hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wurde feinverteiltes, vorerhitztes Phosphaterz und ein Kohlenwasserstoff oder Kohlenstoffreduktionsmittel durch eine Flamme geleitet, die durch die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs oder von Kohle mit Sauerstoff erzeugt wurde. Die Flammentemperatur reichte von 1648ºC (3000 Grad Fahrenheit) bis 2482ºC (4500 Grad Fahrenheit). Siliziumdioxid konnte zugegeben werden, um eine Calciumsilikatschlacke zu erzeugen, falls dies das gewünschte Calciumprodukt war. Dem Phosphaterz wurde es dann gestattet, frei durch einen 100 Fuß hohen Reaktor zu fallen, gefolgt von einer Trennung der Gas- und Festphasen. Dieser Reaktor war aus feuerfest ausgekleidetem Kohlenstoffstahl hergestellt. Um ein übermäßiges Abkühlen durch den Reaktors hindurch zu vermeiden, kann ein weiteres Erhitzen entlang des vertikalen Reaktors erreicht werden, indem weitere Brenner positioniert werden oder durch elektrische Entladungen auf der Gasflamme. Wenn die Flamme mittels einer elektrischen Entladung verstärkt wurde, war es notwendig mit dem Phosphaterz ein ionisierbares Salz hinzuzufügen. Veltman et al berichtete über die Beobachtung, machte aber keinen relevanten Anspruch daraus, "daß unter bestimmten Bedingungen des Verfahrens, und aus unverstandenen Gründen, gleichzeitig Phosphoroxid erzeugt werden kann." Diese Gründe werden klarer werden, sowie diese Erfindung beschrieben wird, aber Veltman et al erzeugten bestenfalls sehr kleine Mengen an Phosphoroxiden.

Die Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, daß das Verfahren von Veltman et al an vielen Mängeln leidet, wie einem Mangel an Vorsorge zur Vermeidung oder Entfernung der massiven Anreicherung an festen und gasförmigen Produkten an den Reaktorwänden, was zu einem übermäßigen Wärmeverlust durch die Wände, als auch zu einer Beschädigung der feuerfesten Wände führt, und einem unzureichenden Erhitzen des Phosphaterzes, wenn es die Flamme passiert, was zu einer geringen Umwandlung und einem ineffizienten Energieverbrauch führt. Das Ergebnis war, daß das Gesamttemperaturniveau des Materials, das den Reaktor verließ, nur 2148ºC (3900 Grad Fahrenheit) betrug, sogar mit der zusätzlichen Wärmezufuhr von den zusätzlichen Brennern. Bei 2148ºC (3900 Grad Fahrenheit) ist die Reaktionskinetik so langsam, daß Veltman et al nicht mehr in der Lage waren, sogar während einer Verweilzeit, wie sie aus einem freien Fall von 100 Fuß durch den Reaktor resultierte, eine vollständige Umsetzung zu erhalten.

Es wurden ebenfalls Versuche unternommen, Phosphor durch die Reduktion von Phosphaterz in einem Drehofen, wie von Lapple in der U.S.-Patentschrift Nr. 3.235.330 und 3.241.914 beschrieben, herzustellen. Diese Verfahren sind seit einiger Zeit bekannt, wurden aber wegen der schlechten Phosphorausbeute nicht praktiziert. In anderen Drehofenverfahren, solche wie von Megy et al in der U.S.- Patentschrift 4.351.813 beschrieben, wird Phosphor aus einem Bett in einem Drehofen unter reduzierenden Bedingungen freigesetzt. In einer oxidierenden Zone über dem Bett kann der Phosphor unter Freisetzung von Strahlungsenergie zu Phosphoroxid verbrannt werden, die durch das Bett aufgenommen wird, wodurch eine Wärmequelle für den Reduktionsreaktionsschritt geliefert wird. Während die früheren Drehofenverfahren zur Phosphorherstellung unter dem Problem eines vorzeitigen Kohlenstoff-Ausbrands, der Bildung einer überschüssigen flüssigen Phase bei höheren Temperaturen und übermäßig langsamen Reaktionsgeschwindigkeiten bei tieferen Temperaturen litten, vermieden Megy et al viele dieser Probleme durch Spülen des Betts mit einem Inertgas. Die Verwendung eines Inertgases gestattete es Megy et al die überschüssige flüssige Phase zu vermeiden und ein besseres Leistungsverhalten mittels des Betriebs bei höheren Temperaturen anzubieten. Obwohl dieses Verfahren zu ausgezeichneten Ausbeuten sowohl an Phosphor als auch an Phosphoroxiden führte, litt dieses Verfahren unter vielen Mängeln, wie die Notwendigkeit von großen Volumina an Spülgasen und unvollständiger Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Materials. Ferner, wegen der Bildung einer überschüssigen flüssigen Phase bei Temperaturen, die 1482ºC (2700 Grad Fahrenheit) überschritten, war die Reaktionskinetik noch so langsam, daß große Drehöfen zur Durchführung der Reaktion nötig waren.

Ein anderer Ansatz zur thermischen Zersetzung des Phosphaterzes wurde von A. L. Mosse et al in "Production of Phosphorus - Containing Compounds in Plasmachemical Reactors When Processing Fine-Dispersed Natural Phosphates", 2nd International Congress of Phosphorus Compounds Proceedings, Institut Mondial du Phosphate, 1980 beschrieben. Mosse et al studierten die Reaktion:

2 Ca&sub3;(PO&sub4;)&sub2; = 6 CaO + P&sub4;O&sub1;&sub0;

in einem Gasplasma. Mosse et al waren in der Lage P&sub4;O&sub1;&sub0; bei so tiefen Temperaturen wie 2426ºC (4400 Grad Fahrenheit) zu erhalten. Obwohl Mosse et al gute Ausbeuten fanden, wurde ihre Arbeit durch die grundlegenden Mängel der Plasmareaktoren beschränkt, insofern als daß sie ungenügende Verweilzeiten aufwiesen, wodurch übermäßige Temperaturen erforderlich waren und der Energieverbrauch war wegen des erforderlichen Erhitzens des großen Plasmagasvolumens übermäßig. Ferner gestattete es die sehr kurze Verweilzeit und der hohe Grad an Verdünnung durch das Plasmagas es nicht, die energetisch günstigere Reaktion:

2 Ca&sub3;(PO&sub4;)&sub2; + 6 SiO&sub2; = 6 CaO·SiO&sub2; + P&sub4;O&sub1;&sub0;

zu studieren. Diese Reaktion ist bei so tiefen Temperaturen wie 1537ºC (2800 Grad Fahrenheit) günstig.

Deshalb besteht ein Bedürfnis nach einer Technik, die wirtschaftlich Calciummineralien in nützliche feste und gasförmige Produkte umwandelt. Insbesondere existiert ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren zur Umwandlung von Calciummineralien in Zementklinker und gasförmige Produkte.

Ein weiteres Bedürfnis besteht ferner nach einer Technik zur Umwandlung von Phosphogibs in Schwefeldioxid und einem nützlichen festen Calciumprodukt. Insbesondere nach einer Technik zur Umwandlung von Phosphogips in einen konzentrierten Schwefeldioxidstrom und Portlandzementklinker.

Es existiert noch ein weiteres Bedürfnis nach einer wirtschaftlichen Technik zur Umwandlung von Phosphaterz in Phosphor und Calciumoxid, Calciumsilikat oder Portlandzementklinker.

Es existiert ferner noch ein Bedürfnis nach einer wirtschaftlichen Technik zur Umwandlung von Phosphaterz in Phosphoroxid und Calciumoxid, Calciumsilikat oder Portlandzementklinker.

Beschreibung der Erfindung

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung ein wirtschaftliches Verfahren zur Umwandlung von Calciummineralien in feste und gasförmige Produkte zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Technik zur Umwandlung von Calziummineralien in gasförmige Produkte und Zementklinker zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Technik zur Umwandlung von Phosphaterz in Phosphor und Kalk oder ein Calciumsilikatprodukt zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Technik zur Umwandlung von Phosphaterz in Phosphoroxid und ein festes Calciumprodukt zur Verfügung zu stellen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung, die in der folgenden Beschreibung deutlich werden, wurden durch Unterwerfung der- Calziumverbindungen unter hohe Temperaturen während sehr kurzer Zeitspannen erhalten, insbesondere durch Unterwerfung der Calciumverbindungen unter Temperaturen, die ungefähr 1871ºC (3400 Grad Fahrenheit) übersteigen, mit Verweilzeiten von weniger als einer Minute. Wenn es gewünscht wird, Portlandzementklinker herzustellen, ist es notwendig in die Reaktorbeschickung, zusammen mit der Calciumverbindung eine Siliziumdioxid- und Eisenquelle einzuschließen, damit das resultierende feste Produkt die geeignete Zusammensetzung für den Portlandzementklinker aufweist. Es ist ebenfalls notwendig, das feste Reaktionsprodukt, nachdem es die Zersetzungszone verläßt, bei einer Temperatur von ungefähr 1176ºC (2150 Grad Fahrenheit) zu halten, um die großen Tricalciumsilikatkristalle zu erhalten (üblicherweise von den in der Zementindustrie Kundigen als C&sub3;S bezeichnet), die für Portlandzementklinker mit guter Qualität nötig sind.

Die Wärmequelle für die Hochtemperaturzersetzung kann durch Elektrowiderstandsheizelemente, Heizstrahler und ähnliches oder durch die Einleitung fossiler Brennstoffe in die Reaktionszone, gleichzeitig mit den Reaktanten, und der Verbrennung der fossilen Brennstoffe in der Reaktionszone, oder durch eine Kombination davon, zur Verfügung gestellt werden.

Beste Art der Durchführung der Erfindung

Die Calciummineralien, die in der Erfindung behandelt werden können, umfassen im wesentlichen irgendein Calciumphosphatmineral, das zu Calciumoxid und einem gasförmigen Produkt zersetzt werden kann. Dies schließt Phosphaterz ein. Im allgemeinen wird das Calciumoxidprodukt aus der Reaktion in Form von Portlandzementklinker gewonnen werden, der durch die Zugabe einer Siliziumdioxid-, Aluminiumoxid- und Eisenquelle zu der Reaktionszone, in Verbindung mit dem Calciummineral, erhalten wird. Wenn die Herstellung von Portlandzement nicht erwünscht ist, wird das feste Produkt Calciumoxid sein.

Im wesentlichen kann jedes Phosphaterz als ein Ausgangsmaterial für das Verfahren genutzt werden. Wenn das Phosphaterz minderwertig ist (das heißt, es weist keine hohe Konzentration an Calciumphosphat auf), kann es vorteilhaft sein, das Erz vor dem Einbringen in das Verfahren herkömmlichen Anreicherungsverfahren zu unterwerfen. Gewöhnliches Phosphaterz kann häufig als das Mineral Apatit charakterisiert werden, das die chemische Formel Ca&sub1;&sub0;(PO&sub4;)&sub6;F&sub2; aufweist. Es kann jedoch auch Phosphaterz mit unterschiedlichen chemischen Bestandteilen und Mineralienformen in der Erfindung angewendet werden.

Es können in dem Verfahren andere Calciumphosphatmineralien angewendet werden, vorausgesetzt sie können in einer Weise umgesetzt werden, daß ein Kalk und gasförmige Produkte hergestellt werden.

Die Energiequelle für die Hochtemperaturreaktion kann irgendeine Wärmequelle, einschließlich Elektrowiderstandswärme, Strahlungswärme, oder Wärme, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, Holzspäne oder von anderem organischen Material erzeugt wird, oder irgendeine Kombination von Wärmequellen sein. Das einzige Kriterium ist, daß die Wärmequelle ausreichen muß, die gewünschte Temperatur zu erreichen und zu halten, im allgemeinen über 1871ºC (3400 Grad Fahrenheit). Die bevorzugten Brennstoffe schließen Petroleumkoks, Kohle, Schweröl, Naturgas, Methan und ähnliches ein. Schwefelreiche Brennstoffe mit niedrigflüchtigen Bestandteilen können verwendet werden. Solche schwefelreichen Brennstoffe schließen verzögerten Petrolkoks ein, der niedrigflüchtige Bestandteile umfaßt und einen hohen Schwefelgehalt enthält. Petro-Koks ist relativ billig, wegen seiner Herstellung als Abfall-Nebenprodukt bei der Raffination von schwerem Rohöl, so daß nahezu jede Raffination schließlich mit der Herstellung von einigem Petrolkoks verbunden ist. In Bezug auf die Kohle werden die Kohlen mit hohem Schwefelgehalt, die gewöhnlich in Illinois und den anderen östlichen Kohlegebieten abgebaut werden, wegen ihres hohen Schwefelgehaltes bevorzugt. Fossile Brennstoffe von hoher Qualität, wie Naturgas, können ebenfalls in dem Verfahren angewandt werden.

Wenn Schwefeldioxid nicht das gewünschte Produkt ist, so kann oder kann es nicht vorteilhaft, schwefelreiche Brennstoffe zu verwenden. Wenn schwefelreicher Brennstoff verwendet wird, dann sollten meistens geeignete Vorrichtungen zur Gaswaschung eingeschlossen sein, um eine Verschmutzung der Atmosphäre zu vermeiden oder, wenn die Reinheit des Produktes nicht kritisch ist, kann es möglich sein, die Schwefeloxide zusammen mit dem Produkt zu gewinnen

Wenn es gewünscht wird, Portlandzementklinker herzustellen, sind Siliziumdioxid-, Aluminiumoxid- und Eisenquellen notwendig und müssen dem Reaktor zusammen mit dem Ausgangsmaterial aus Calciumverbindung zugefügt werden. Geeignete Siliziumdioxid- und Aluminiumoxidquellen sind die üblicherweise bei der Herstellung von Portlandzementklinker in den Drehofenverfahren verwendeten Tone. Eisenoxidnebenprodukte, wie Eisensinter, stellen eine geeignete Eisenquelle zur Verfügung. Die Mengen an hinzuzufügenden Siliziumdioxid-, Aluminiumoxid- und Eisenquellen werden so ausgewählt, um die gewünschte Zusammensetzung an Festprodukt herzustellen und können routinemäßig bestimmt werden. Wenn jemand beabsichtigt nur Calciumoxid herzustellen, ist die Verwendung von Siliziumdioxid-, Aluminiumoxid- und Eisenoxidquellen nicht notwendig, es kann aber bevorzugt sein, kleine Mengen dieser Oxide einzuschließen, um die Gesamtreaktion voranzubringen. Eine typische Zusammensetzung kann durch die ASTM- Standardspezifikation für Portlandzement C-150-80 (Typ II) gegeben werden: SiO&sub2;: 20,0% min., Al&sub2;O&sub3;: 6,0% max., Fe&sub2;O&sub3;: 6,0% max., MgO: 6,0% max., SO&sub2;: 3,0% max., LOI: 3,0% max., Unlöslicher Rest 0,75% max.

Typischerweise ist es wünschenswert, aber nicht erforderlich, daß die Beschickung rieselfähig ist, bevorzugt weniger als 0,59 mm (30 Maschen) und noch bevorzugter weniger als 100 Maschen (150 Mikrometer Durchmesser), da feinverteilte Teilchen mit schnellerer Geschwindigkeit abreagieren, wodurch kürzere Verweilzeiten und kleinere Reaktoren gestattet werden.

Andere Rohmaterialien können einiges Mahlen erfordern, das in herkömmlichen Zerkleinerungsvorrichtungen ausgeführt werden kann. Wenn ein fester fossiler Brennstoff als Wärmequelle verwendet wird, ist es besonders wünschenswert, daß dieses Material fein verteilt wird. Da die Geschwindigkeit der Verbrennung von festen fossilen Brennstoffen in hohem Maße von der Teilchengröße abhängt, kann die Anfangsteilchengröße dazu verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Verbrennung zu steuern. Wenn Petrolkoks verwendet wird, wird es bevorzugt, daß der Koks eine Teilchengröße von weniger als 0,150 mm (100 Maschen) aufweist, wobei die besondere Teilchengröße so gewählt wird, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit zur Reaktorverweilzeit und den Reaktionsgeschwindigkeiten der vorhandenen chemischen Bestandteile paßt.

Wenn der fossile Brennstoff zu groß ist, dann können die anderen Bestandteile, bevor der fossile Brennstoff völlig verbrannt ist, völlig abreagieren, was zu einem übermäßigen Verbrauch an Brennstoff führt. Wenn der fossile Brennstoff zu klein ist, dann könnte die Verbrennung beendet sein, bevor die anderen Bestandteile in dem gewünschten Ausmaß reagieren können, was zu einer unvollständigen Reaktion führt. Ein mathematisches Modell für die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wird von M.A. Field et al in Combustion of Pulverized Coal, British Coal Utilisation Research Association, 1967 beschrieben.

Wurden die Materialien erst einmal gemischt, so können die Ausgangsmaterialien direkt zu der Reaktionszone hinzugefügt werden. Dies gilt besonders dann, wenn die Ausgangsmaterialien im wesentlichen trocken sind, wie Phosphaterz. Wenn gewünscht, können die Ausgangsstoffe in ausreichendem Maß getrocknet werden, um sogar das freie Wasser zu entfernen, obwohl dies nicht notwendig ist. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß der Wassergehalt des Beschickungsmaterials, das in den Reaktor eintritt, weniger als ungefähr 30 Gew.-%, bevorzugt weniger als 20 Gew.-% ist, bevorzugter weniger als 5 Gew.-%, und am meisten bevorzugt weniger als 1 Gew.-% ist. Wenn Portlandzementklinker hergestellt wird, wird der Ton im allgemeinen auch etwas Wasser enthalten. So muß auch das im Ton enthaltene Wasser bei der Trocknung der Ausgangsmaterialien berücksichtigt werden. Obwohl in Betracht gezogen wird, daß die Ausgangsmaterialien, nachdem sie zusammengemischt wurden, getrocknet werden, ist es ebenfalls möglich, falls dies gewünscht wird, die Ausgangsmaterialien individuell zu trocknen. Dies kann besonders dort sehr vorteilhaft sein, wo nur eines der Beschickungsmaterialien Wasser enthält und die anderen im wesentlichen trocken sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn Calciumoxid hergestellt wird und die Ausgangsstoffe eine wasserhaltige Calciummineralquelle und im wesentlichen trockenen fossilen Brennstoff enthalten. Es wird wahrscheinlich einfacher und billiger sein, die Calciumquelle getrennt vor der Vermischung mit dem Brennstoff zu trocknen. Wenn die Ausgangsmaterialien Ton einschließen, kann der Wassergehalt in der Beschickungsmischung für den Reaktor ähnlich, durch Trocknung von nur der Calciumquelle oder nur dem Ton, vermindert werden. Obwohl es gewünscht wird, daß der Wassergehalt des Reaktors weniger als 30% beträgt, können Wassergehalte von größer als 30% toleriert werden, wobei sie aber wegen der Notwendigkeit das Wasser auf die Reaktionstemperatur zu erhitzen, den Energiebedarf vergrößern werden. So wird der Grad an Trockenheit durch die Wirtschaftlichkeit der zur Trocknung der Ausgangsmaterialien erforderlichen Energie festgelegt, wenn sie mit der zusätzlichen Energie verglichen wird, die im Reaktor durch die Anwesenheit des Wasserdampfes verbraucht wird.

Die Beschickungsmischung wird in einen geeigneten Reaktor eingebracht und der Reaktionstemperatur unterworfen. Im allgemeinen wird die Reaktionstemperatur 3400 Grad Fahrenheit übersteigen. Es gibt keine theoretische Obergrenze für die Temperatur und die Reaktanten können jeder Temperatur unterworfen werden, die der Reaktor selbst aushalten kann. Im allgemeinen wird erwartet, daß die Reaktionstemperatur, wegen der Kosten bei der Herstellung eines Reaktors, der höhere Temperaturen aushalten kann, weniger als 4204ºC (7600 Grad Fahrenheit) betragen wird. Wenn ein fossiler Brennstoff als Wärmequelle verwendet wird, wird die Reaktionstemperatur in einem Bereich von 1871ºC (3400 Grad Fahrenheit) bis 3204ºC (5800 Grad Fahrenheit) liegen.

Die Reaktionstemperatur wird den Eigenschaften des Reaktors angepaßt, insbesondere der Verweilzeit, den Temperaturgradienten und der Kinetik der gewünschten Reaktion.

Die Reaktionstemperatur in dem Reaktor wird als die höchste Temperatur festgelegt, die von den Reaktanten, während sie durch die Reaktionszone fließen, erreicht wird. Wie erkannt werden wird, wird in dem Reaktor ein Temperaturprofil auftreten, wo am Eintrittspunkt der Beschickung, die Temperatur diejenige der eintretenden Beschickungsmaterialien sein wird, sie wird zu einer Höchsttemperatur in dem Reaktor ansteigen, wenn die Verbrennung und die Wärmeübertragung voranschreiten und dann auf eine etwas tiefere Temperatur beim Reaktorausgang abfallen. Die Eingangstemperatur in den Reaktor kann sich von Umgebungstemperatur bis zu einer wie hoch auch immer gewünschten Temperatur bewegen. Im allgemeinen, wenn die Reaktanten nicht getrocknet sind, wird die Anfangsreaktionstemperatur gleich der Umgebungstemperatur sein. Wenn die Reaktanten getrocknet worden sind, dann wird die Eintrittstemperatur durch die Temperatur festgelegt, zu der die Reaktanten getrocknet wurden. Die Höchsteintrittstemperatur wird weitgehend durch die Wirtschaftlichkeit des Vorerhitzens der Reaktanten festgelegt, sollte aber so hoch wie nur durchführbar sein. Wenn die Energie jedoch durch die Verbrennung eines Brennstoffes in der Reaktionszone geliefert wird, muß die Eintrittstemperatur unterhalb der Entzündungstemperatur des Brennstoffes liegen, um eine vorzeitige Entzündung zu verhindern. Wenn fossiler Brennstoff verwendet wird, werden die Reaktanten im allgemeinen bei weniger als 748ºC (1380 Grad Fahrenheit) und bevorzugter bei ungefähr 704ºC (1300 Grad Fahrenheit) eingebracht.

Der in diesem Verfahren zu verwendende Reaktor muß in der Lage sein, den in dieser Erfindung angewandten Temperaturen zu widerstehen. Die Herstellung geeigneter Reaktoren ist in der Technik gut bekannt. Einer der bevorzugten Reaktortypen würde der in den U.S.-Patentschriften Nr. 3.933.434, 4.036.181, 4.042.334, 4.044.117, 4.056.602, 4.059.416, 4.095.974, 4.181.504, 4.199.545 und 4.208.373 beschriebene Doppelrohrreaktor sein. Auf diesen Reaktor wird nachstehend als HTFW(Hochtemperatur-Fluidwand)-Reaktor Bezug genommen. Der erfahrene Fachmann wird erkennen, daß dies nur eine der geeigneten Konstruktionen ist, und das auch andere Anordnungen und Konstruktionen geeignet sind. Wie nachstehend detaillierter beschrieben ist, weist der HFTW-Reaktor die Fähigkeit auf, Material bei hohen Temperaturen für eine genügend lange Verweilzeit festzuhalten. Auch wegen der thermisch neutralen Fluidwände geht Hitze nicht in einem bemerkenswerten Ausmaß von den Reaktanten über die Reaktorwände an die Außenumgebung verloren, und es reichert sich kein festes und flüssiges Material an und beschädigt nicht die Reaktorwände. Ferner erlaubt die vorstehend erwähnte gesteuerte Verbrennung den Reaktor hindurch gleichmäßige Temperaturgradienten.

Fig. 1 stellt einen HTFW-Reaktor von dem Typ dar, wie er in dem Verfahren angewendet werden kann. Der Reaktor besteht aus einem vertikalen Reaktionsrohr, Bezugszeichen 1, eingeschlossen von einem äußeren Mantel, Bezugszeichen 2, der als Strukturbehälter dient. Dieser äußere Behälter ist zur Begrenzung von Wärmeverlusten isoliert. Ein Schutzgas, Bezugszeichen 3, wird in dem Ringraum zwischen dem Reaktionsrohr und der äußeren Wand zum nachstehend erwähnten Zweck eingeleitet. Elektrowiderstandsheizelemente, Bezugszeichen 4, werden in dieser neutrale Atmosphäre aufgestellt, um die für die Reaktion notwendige Energie zu liefern, oder falls die Reaktanten einen Brennstoff einschließen, liefern die Elektrowiderstandsheizelemente nur einen Teil des Wärmebedarfs. Reaktanten werden am oberen Ende des Reaktionsrohres, Bezugszeichen 5, eingeleitet und es wird ihnen gestattet mittels der Schwerkraft abwärts zu strömen.

Das zentrale Reaktionsrohr ist ein aus einem porösen feuerfesten Material hergestellter Hohlzylinder. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, daß das Material in der Lage ist, Strahlungswärme aufzunehmen und wieder auszustrahlen, um die Reaktanten, die dem inneren Raum zugeführt werden, zu aktivieren. Das Rohr kann entweder als Einzelzylinder oder als zusammengefügte Zylinder oder als ein aus zusammengefügten Ziegeln konstruierter Zylinder konstruiert sein. Das Rohrmaterial ist bevorzugt porös, so daß es dem Schutzgas, welches das neutrale Gas für die Heizelemente liefert, gestattet wird, durch die Wand zu dem Kern zu wandern. Der Fluß dieses Gases durch die Wand erzeugt entlang der inneren Wand des Reaktionsrohrs eine Schutzdecke, wodurch die Wand von den chemischen Reaktanten geschützt wird, indem die Anreicherung festen und flüssigen Materials auf der Wand verhindert wird. Die Menge an Gas, das unter einem gegebenen Grad an Porosität die Wand passiert, ist eine Funktion der Temperatur, da die Viskosität des Gases in bedeutendem Ausmaß mit der Temperatur zunimmt. Da zwischen dem Eintrittspunkt der Reaktanten an dem oberen Ende der Reaktionsröhre und dem Punkt, an dem die Maximaltemperatur der Reaktanten erreicht wird, ein bedeutender Temperaturgradient existiert, wird die bevorzugte Porosität der Röhre in den kälteren Bereichen geringer und größer in den wärmeren Bereichen sein, um einen gleichmäßigen Fluß des Schutzgases in den Kern zu erlauben und um die Menge an erforderlichem Schutzgas zu vermindern. Die Unterschiede in der Porosität werden von der Temperatur festgelegt und können durch bekannte thermodynamische Beziehungen berechnet werden. Die bevorzugte Menge an verwendetem Schutzgas ist die minimale Menge, die notwendig ist, um die Reaktanten von der Wand des Reaktionsrohres fernzuhalten, um die Wand vor Beschädigung zu schützen und einen Wärmeverlust aus dem Reaktionsrohr zu vermeiden. Im allgemeinen wurde gefunden, daß ungefähr drei Standardkubik-Fuß pro Minute pro Quadratfuß des Wandbereiches des inneren Rohres ausreichen, aber es kann abhängig von den Betriebstemperaturen mehr oder weniger erforderlich sein.

Die Auswahl der geeigneten feuerfesten Materialien für das Reaktionsrohr ist abhängig vom Betriebsumfeld. Bei einer Temperatur unterhalb 5000 Grad Fahrenheit und bei häufigem Temperaturwechsel wäre Graphit das bevorzugte Material. Bei höheren Temperaturen und einem langen kontinuierlichen Betrieb können Keramikerzeugnisse bevorzugt sein.

Das Schutzgas kann jedes Gas sein, das keine unerwünschten Nebenreaktionen eingeht oder mit den Reaktorwänden reagiert. Es ist ebenfalls wünschenswert, daß das Schutzgas gegenüber der Strahlungsenergie durchlässig ist. Geeignete Schutzgase dieses Typs schließen Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, die Edelgase und ähnliches ein. Wenn das zentrale Rohr aus porösem Kohlenstoff konstruiert ist, wird ein trockenes Schutzgas bevorzugt, da der Wasserdampf mit dem Kohlenstoff bei hohen Temperaturen reagieren wird. Wenn das Reaktionsrohr aus anderen Materialien konstruiert ist, kann das Vorhandensein von Wasser weniger kritisch sein.

Die Elektrowiderstandsheizelemente werden normalerweise zwischen dem Reaktionsrohr und dem äußeren Mantel angeordnet. Im allgemeinen werden die Heizelemente nicht innerhalb des Reaktionsrohrkernes plaziert, wo sie durch die heißen Reaktanten beschädigt werden könnten. Wenn die Reaktionsenergie lediglich durch die Verbrennung eines Brennstoffes geliefert wird, sind die Heizelemente nicht notwendig. Es ist jedoch häufig wünschenswert einiges an elektrischer Wärme zur Verfügung zu stellen, um Wärmeverluste im Reaktor zu vermeiden, insbesondere um die Temperaturgradienten zu vermeiden, die häufig in oder in der Nähe der Reaktorwände gefunden werden. Solche Gradienten sind in die Konstruktion vieler anderer Reaktortypen eingeschlossen. Wirtschaftliche Betrachtungen begünstigen üblicherweise ein Minimum an elektrischer Energie, typischerweise weniger als 50% der Gesamtenergie, bevorzugter weniger als 15% und am meisten bevorzugt weniger als 5%. Wenn ein Teil der elektrischen Energie durch im Ringraum angeordnete Elektroheizelemente geliefert wird, sollte das Reaktionsrohr aus Materialien hergestellt sein, die in der Lage sind, Strahlungsenergie aufzunehmen und auszustrahlen.

Das Verfahren der Beschickung der Reaktanten auf das obere Ende des Reaktionsrohres ist nicht kritisch und es können gut bekannte Techniken für die Beschickung mit Feststoffen verwendet werden. Es ist jedoch wegen der äußerst kurzen Verweilzeiten, die bei den in der Erfindung angewandten hohen Temperaturen erforderlich sind, ein Verfahren wünschenswert, das eine konstante Beschickungsgeschwindigkeit sicherstellt. Es wird bevorzugt, daß die Reaktanten unter dem Einfluß der Schwerkraft durch den Reaktor strömen, da der freie Fall zu einem glatten Strom durch das Reaktionsrohr führt. In dem HTFW-Reaktor kann ein turbulenter Strom die durch das Schutzgas erzeugten Fluidwände verletzen und zur Anreicherung von Feststoffen oder Zerstörung der Röhre führen. Wenn der Reaktor vollständig mittels elektrischer Energie erhitzt wird, werden die Reaktanten, der Schwerkraft und der Geschwindigkeit des Produktgases ausgesetzt, den Reaktor passieren. Wenn ein verbrennbarer Brennstoff als Energiequelle dient, werden die Reaktanten ebenfalls durch die Geschwindigkeit der Verbrennungsgase beschleunigt werden. So ist Bemessung des Reaktors, um eine angemessene Verweilzeit zu erlauben, nicht nur von den Reaktanten und der Temperatur, sondern auch von der Energiequelle abhängig.

Unter den bevorzugten Eigenschaften des verwendeten HTFW- Reaktors sind seine Fähigkeit eine ausreichende Verweilzeit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten, so daß die Reaktion bis zu dem gewünschten Grad fortschreiten kann. Ferner sollte die Reaktorkonstruktion keine Temperaturgradienten ergeben, die zu einer unvollständigen Reaktion führen würden. Es ist auch wichtig, daß der Reaktor nicht durch hohe Temperaturen oder durch die Anreicherung von Material an den Reaktorwänden beschädigt wird. Wenn das gewünschte feste Produkt Portlandzementklinker ist, ist es wichtig, daß das feste Reaktorprodukt fein verteilt ist, da große Klumpen, wie sie aus einer Anreicherung resultieren, nicht vorhanden sein sollten, da sie in einem Abwärtsstromverfahren schwer zu handhaben sein würden. Wenn die Konzentration an Produktgas wichtig ist, sollte die Zugabe eines nicht-reaktiven Gases, wie des Gases, das die Fluidwand in dem HTFW-Reaktor bildet, minimiert werden.

Wenn die Wärmequelle ein Brennstoff ist, der in der Reaktionszone verbrannt wird, ist es notwendig mit den Reaktanten eine Sauerstoffquelle einzuleiten. Diese Sauerstoffquelle kann Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder im wesentlichen reiner Sauerstoff sein. Die Menge an zugefügtem Sauerstoff sollte ausreichen, um eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes zu ergeben. Abhängig von den Reaktanten und Produkten kann diese Menge an Sauerstoff entweder eine reduzierende oder eine neutrale bis oxidierende Atmosphäre in der Reaktionszone liefern. Dies unterscheidet sich sehr von der herkömmlichen Drehofentechnologie, wo zwei verschiedene Reaktionszonen vorkommen, eine reduzierende und eine oxidierende. In dem vorliegenden Verfahren gibt es im wesentlichen nur eine Reaktionszone. Wenn sich die Wärmequelle aus einem kohlenstoffhaltigen Material ableitet, wie Petrolkoks, wäre eine reduzierende Atmosphäre eine, in der Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid verbrannt wird, während eine neutrale bis oxidierende Atmosphäre eine wäre, in der Kohlenstoff zu Kohlendioxid verbrannt wird. Die Sauerstoffquelle wird so gewählt, daß sie eine gewünschte Konzentration an Produktgas in dem Abgas ergibt, das für die weitere Verarbeitung geeignet ist. Wenn es gewünscht wird, die Konzentration des Produkt-Abgases zu maximieren, ist es wünschenswert im wesentlichen reinen Sauerstoff zu verwenden, um den Brennstoff zu verbrennen. Andere Reaktanten ergeben Abgaskonzentrationen, die in der gleichen Weise beeinflußt werden, obwohl die Prozentsätze unterschiedlich sein werden.

Ein anderer Gesichtspunkt bei der Verwendung von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft ist der, daß es nicht möglich ist, solch eine hohe Temperatur zu erreichen, wie wenn reiner Sauerstoff für die Verbrennung von Brennstoff verwendet wird. Da die Geschwindigkeiten der Zersetzung von Calciumverbindungen Funktionen der Temperatur sind, erfordern tiefere Temperaturen längere Verweilzeiten, um den gleichen Grad an Zersetzung zu erreichen. Die längeren Verweilzeiten und die gestiegenen Gasvolumina, die erhalten werden, wenn weniger als einhundert Prozent Sauerstoff verwendet werden, erfordern größere Behälter für die Zersetzungsreaktion und die Abwärtsstrom-Verarbeitung. Da die Behälter aus teurem Material hergestellt werden müssen, das in der Lage ist, den mit dieser Erfindung verbundenen hohen Temperaturen zu widerstehen, ist es oft wünschenswert, die Größe des Reaktors unter Anwendung einer Temperatur, so hoch wie möglich, zu minimieren. Natürlich kann die Verweilzeit bis zu einem gewissen Ausmaß auch durch Vorheizen der Reaktanten auf Temperaturen nahe der Reaktionstemperatur vor der Einführung in den Reaktor vermindert werden.

So wird die Wahl zwischen Luft oder Sauerstoff oder einer Kombination davon zur Entzündung und Verbrennung des fossilen Brennstoffes durch die gewünschte Verweilzeit, Reaktionstemperatur und die gewünschte Konzentration in dem Produktgasstrom, als auch den gewünschten Grad an Zersetzung bestimmt werden. Wenn unreine Produkte das gewünschte Ergebnis sind, sind die Verwendung von Luft, tiefere Reaktionstemperaturen und ähnliches möglich.

Der Reaktor arbeitet und weist ein Temperaturprofil auf, wie zuvor beschrieben wurde.

Die Produkte verlassen den Reaktor bei äußerst hohen Temperaturen, im allgemeinen erreichen sie die maximale Betriebstemperatur, wenn die Energie lediglich durch die Elektrizität geliefert wird und manchmal überschreiten sie die Temperatur des elektrischen Heizelementes, wenn ein mittels Verbrennung unterstützter Betrieb durchgeführt wird. Es ist wünschenswert, so viel wie möglich von dieser Wärme zurückzugewinnen. Jede gut bekannte Wärmerückgewinnungstechnik kann durchgeführt werden, es wird aber üblicherweise bevorzugt, einen Wärmezurückgewinnungsbehälter zu verwenden, größer als der Durchmesser des Reaktors, so daß die Verschmutzung der inneren Wände verhindert wird und der Wärmeübergang in erster Linie durch den Übergang von Strahlungsenergie erreicht wird. Das Wärmerückgewinnungsmedium könnte Wasser sein, aus dem Wasserdampf erzeugt wird, und der Wasserdampf könnte dazu verwendet werden, um Dampfturbinen zu betreiben, um eine mechanische Einrichtung zu speisen oder um elektrische Energie zu erzeugen. Solch eine Wärmerückgewinnung schließt auch die Kühlung der festen Produkte aus dem Reaktor ein, so daß die festen Produkte in einer Form erhalten werden, die keine überschüssige flüssige Phase enthält, die das Abwärtsstromverfahren der Feststoffe komplizieren könnte.

Auf den Wärmerückgewinnungsbehälter folgend, ist eine Gas-Feststoff-Trennvorrichtung notwendig, um das Produktgas von den festen Produkten zu trennen. Jeder Typ der gut bekannten Gas-Feststoff-Vorrichtungen, wie Trennvorrichtungen vom Zyklontyp, kann verwendet werden.

Die Feststoffe, die die Trennvorrichtung verlassen, können als solche zurückgewonnen werden, oder einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden. Wenn die Feststoffe zur Zementklinkerherstellung verwendet werden sollen, müssen die Feststoffe für ein Minimum von 15 Minuten oberhalb 1176ºC gehalten werden (2150 Grad Fahrenheit), um die für den Portlandzementklinker notwendige Bildung von Tricalciumsilikatkristall zu erreichen. Diese gesteuerte Abschreckung kann in vielen der verschiedenen, für diesen Zweck entworfenen Behälter verwirklicht werden, wie in einem Drehzylinder mit einer Anordnung wie ein Drehofen. Die Abkühlung in diesem Typ von Klinkerreaktor wird üblicherweise durch das Einleiten von Gasen am kalten Ende des Klinkerreaktors erreicht. Der Produktklinker, der diesen Reaktor verläßt, ist typischerweise für eine bequeme Handhabung zu heiß und ein weiteres Abkühlen, wie es in der Zementindustrie durchgeführt wird, auf ungefähr 65ºC (150 Grad Fahrenheit) kann in Behältern erreicht werden, wie den Drehzylinder-Kühlvorrichtungen oder anderen Vorrichtungen, wie sie der erfahrene Fachmann kennt. Es ist oft wirtschaftlich, die heißen Abgase aus den Kühlvorrichtungen als das Kühlmedium in dem Klinkerreaktor zu verwenden, oder als eine Wärmequelle zur Trocknung der Beschickungsmaterialien.

Wenn das Produkt aus einfachem Kalk besteht, ist der Klinkerreaktor nicht notwendig, aber es sollten einige Abkühltechniken für den Kalk durchgeführt werden. Abkühlung ist insbesondere vorteilhaft, um eine zusätzliche Wärmrückgewinnung aus den Feststoffen zu bewirken.

Die Erfindung kann, wenn eine reduzierende Atmosphäre verwendet wird, zur Herstellung elementaren Phosphors aus Phosphaterz gemäß der folgenden Gleichung verwendet werden:

2 Ca&sub3;(PO&sub4;)&sub2; + 10 C = 6 CaO + P&sub4; + 10 CO

wenn für die Hochtemperaturreaktion eine Kohlenstoffquelle verwendet wird. Ferner wird in der Erfindung, bei Kohlenstoff von richtiger Größe und bei Temperaturen, die 1871ºC überschreiten (3400 Grad Fahrenheit), eine geeignete Mischung eine Herstellung von Phosphor gestatten, die die Geschwindigkeit der Kohlenstoffverbrennung übersteigt, so daß die Reaktionswärme von anderen Quellen, wie Strahlungsenergie, geliefert werden kann.

Ein anderer Vorteil gegenüber anderen Reaktionssystemen besteht darin, daß bei den in der Erfindung angewandten längeren Verweilzeiten, Siliziumdioxid hinzugefügt werden kann, das Zeit hat, sich mit dem Calciumoxidprodukt der obigen Reaktion zu vermischen, wobei ein Calciumsilikatprodukt entsteht, das nicht nur energetisch günstiger ist, sondern auch wirksam die Rückreaktion blockiert, die beim Kühlen der Produkte der festen oder flüssigen Phase in Gegenwart der Reaktionsproduktgase stattfinden kann. Solche nützlichen Wirkungen des Siliziumdioxids sind in Reaktoren vom Plasmatyp wegen der kurzen Verweilzeit der calciumhaltigen flüssigen Hochtemperaturphase und der seltenen Teilchenzusammenstöße bei dem hohen Gasgehalt in der Reaktionszone solch eines Reaktors minimal.

Die Erfindung ergibt, wenn ein Festprodukt aus Calciumsilikat hergestellt wird, bei ungefähr 2426ºC (4400 Grad Fahrenheit) in einer Verweilzeit von 250 Millisekunden eine Phosphorausbeute von ungefähr neunzig Prozent. Höhere Temperaturen würden sogar noch kürzere Zeiten erfordern und tiefere Temperaturen würden etwas längere Zeiten erfordern.

Es ist von Vorteil, ein fein verteiltes Beschickungsmaterial zu verwenden, um ein richtiges Mischen zu gewährleisten, insbesondere wenn eine feste Kohlenstoffquelle verwendet wird. Die Größe des Beschickungsmaterials sollte unter genauer Berücksichtigung der Verweilzeit und der Temperatur gewählt werden, aber ein mittlerer Teilchendurchmesser von 50 Mikrometer ist den meisten Bedingungen angemessen.

Die Herstellung von Phosphoroxiden aus Phosphaterz ist in der Erfindung ebenfalls möglich. Die vom Siliziumdioxid unterstützte Reaktion:

2 Ca&sub3;(PO&sub4;)&sub2; + 6 SiO&sub2; = 6(CaO·SiO&sub2;) + P&sub4;O&sub1;&sub0;

ist dafür bekannt, bei so tiefen Temperaturen wie 1537ºC (2800 Grad Fahrenheit) vorteilhaft zu sein. Da jedoch bei den in der Erfindung angewendeten hohen Temperaturen die Geschwindigkeit der Phosphorerzeugung die Geschwindigkeit der Kohlenstoffverbrennung übersteigt, wenn der Kohlenstoff von richtiger Größe ist, erlaubt der erfindungsgemäße Betrieb in einer neutralen bis oxidierenden Atmosphäre, die Herstellung von Phosphoroxid und er erlaubt es, durch Verbrennung des Kohlenstoff die für die Reaktion notwendige Energie zu liefern (obwohl die Energie durch alternative Quellen geliefert werden kann). Im allgemeinen ist eine Größe von 50 Mikrometern den meisten Reaktorbedingungen angemessen.

Die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen den Betrieb der thematisierten Erfindung, um gasförmige und feste Produkte mittels Hochtemperaturzersetzungen von Calciumphosphatverbindungen herzustellen.

In diesen Beispielen wurden die Tests in einem HTFW- Reaktor vom in der U.S.-Patentschrift Nr. 3.933.434, 4.036.181, 4.042.334, 4.044.117, 4.056.602, 4.059.416, 4.095.974, 4.181.504, 4.199.545 und 4.208.373 beschriebenen Typ durchgeführt. Das Reaktionsrohr war ein poröses Kohlenstoffrohr mit einer Betriebslänge von 1,82 m (6 Fuß) und einem inneren Durchmesser von 13,97 cm (fünfeinhalb inch) und einem äußeren Durchmesser von 16,51 cm (sechseinhalb inch). Elektrische Energie wurde durch drei Kohlenwiderstandsheizelemente geliefert, die zwischen den inneren und äußeren Rohren plaziert waren. Der durch diese Heizelemente fließende Strom wurde so eingestellt, daß er die gewünschte Temperatur, wie sie mittels eines optischen Pyrometers gemessen wurde, ergab. Stickstoffgas wurde durch das poröse Reaktionsrohr in die Reaktionskammer gezwungen, um die schützende Fluidwand auf der Innenseite des Rohres aufrecht zu erhalten. Die Beschickungsmaterialien wurden alle zu weniger als 0,147 mm gemahlen (100 Tyler-Maschen). Das Beschickungsmaterial wurde am oberen Ende des Reaktors mittels eines vibrierenden Schneckenspeisers eingebracht, der kalibriert war, um das Beschickungsmaterial mit der gewünschten Geschwindigkeit zu liefern. Am Ende eines jeden Laufes wurde die im Beschickungstrichter verbliebene Mischung gewogen, um es zu gestatten, die durchschnittliche Beschickungsgeschwindigkeit zu berechnen. Die Schlacken wurden in einem Trichter gesammelt, der sich unterhalb des Wärmerückgewinnungsbehälters befand und sie setzten sich zum größten Teil aus sehr kleinen kugeligen Perlen mit einem glasigen Aussehen zusammen.

Beispiel 1

Diese Probe zeigt die erfindungsgemäße Hochtemperaturherstellung von Phosphor aus Phosphaterz. Die nachstehend beschriebenen Tests wurden in einem hier vorstehend beschriebenen Reaktor durchgeführt. Beschickungsmaterialien wurden wie beschrieben eingebracht, wobei das Beschickungsmaterial vor der Einbringung in den HTFW- Reaktor mittels eingeführter Gase dispergiert wurde. Nach dem Verlassen des HTFW-Reaktors passierte das Material eine 1,52 m (sechzig inch) lange Kühlzone mit einem Durchmesser von 0,45 m (achtzehn inch), bevor es einen Einbau-Produktsammelbehälter erreichte, wo das Gas und die festen Produkte getrennt wurden.

In einem Temperaturkalibrierungstest wurde analysenreines Aluminiumoxid (Schmelzpunkt = 2071ºC (3760 Grad Fahrenheit), mittlerer Teilchendurchmesser 75 Mikrometer), beschichtet mit einem Prozent (w/w) Ruß, mit einer Geschwindigkeit von 3,78 g/s (ein halbes Pound pro Minute) und zusammen mit 20,72 Sm³/h (12,20 scfm) trockeneren Stickstoff-Dispersionsgas und 24,22 Sm³/h (14,26 scfm) trockenem Stickstoff-Schutzgas eingebracht. Die Temperatur des Reaktorkerns wurde in wachsenden Schritten angehoben, bis ein vollständigen Schmelzen des Aluminiumoxids erreicht war, wobei glasige, kugelige Perlen erhalten wurden. Es wurde beobachtet, daß solch ein Schmelzen bei einer Temperatur der äußeren Wände des Reaktorkerns (gemessen durch optische Pyrometrie) von 2127ºC (3861 Grad Fahrenheit) vollständig war, was eine um angenähert 56ºC (100 Grad Fahrenheit) tiefere Maximaltemperatur der Feststoffe innerhalb der Reaktionszone als die der Pyrometermessung anzeigte.

Beschickungsmischungen für die Phosphortests wurden durch einstündiges Mischen der gewünschten gemahlenen Mengen an Phosphaterz, Phosphaterzflotationsrückstand, Petroleumkoks und ungefähr eineinhalb Prozent (w/w) Ruß in einem Mischer vom V-Typ hergestellt, um die in Tabelle 1 gegebenen Beschickungszusammensetzungen zu erhalten. In Test 22 wurde kein Petroleumkoks hinzugefügt, aber es wurden 8,49 Sm³/h (fünf scfm) Propan als Teil des Dispersionsgases und als Kohlenstoffquelle hinzugefügt. Ein ungefähr fünfzig prozentiger Überschuß an Kohlenstoff wurde in diesen Tests verwendet, um ein angemessenes Mischen in den in diesen Tests verwendeten Reaktoren vom kleinen Typ sicherzustellen. Der Siliziumdioxidgehalt der Beschickungen wurde aus der säureunlöslichen Fraktion des Phosphaterz es und des Phosphatflotationsrückstandes zubereitet. Das SiO&sub2;/CaO- Verhältnis in den Tests Nr. 17A, 18A und 22 war 1,09, in Test Nr. 30 war dieses Verhältnis 0,76 und in Test Nr. 28 war es 0,067. Der Zweck des Rußes war es, die anderen festen Materialien zu beschichten, so daß sie die Strahlungsenergie aus dem Reaktorkern aufnehmen würden (Der Ruß wäre unnötig, wenn die Energie aus anderen Quellen geliefert würde). Der mittlere Teilchendurchmesser des Petroleumkoks betrug in all diesen Tests fünfzig Mikrometer.

Die Testbedingungen werden in Tabelle Zwei gegeben. Die Gase, die den Produktsammelbehälter verließen, wiesen eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des Phosphors von 280ºC (536 Grad Fahrenheit) auf. Einiges an Kondensation des Phosphors auf dem festen Produkt war offenkundig, da das feste Produkt, wenn es der Luft ausgesetzt war, brannte. Waschen des Festproduktes mit Wasser zeigte an, daß die in Tabelle Drei gezeigten Ausbeuten um fünf Prozent tiefer als die Ausbeuten sind, die erhalten worden wären, wenn die festen und gasförmigen Produkte bei Temperaturen größer als 280ºC (536 Grad Fahrenheit) gehalten worden wären, um eine Kondensation zu verhindern. Die Verweilzeit der Feststoffe in der heißen Zone des Reaktors wurde als innerhalb eines Bereiches von 0,25-0,30 Sekunden liegend berechnet.

Die in Tabelle Drei gezeigten Ergebnisse zeigen die Fähigkeit der Erfindung das Phosphaterz zu reduzieren, um Phosphor zu produzieren. Überraschenderweise überstiegen die Ausbeuten in den Tests 17A, 18A und 22 die höchsten, bei vergleichbaren Verweilzeiten von Chase et al (Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., Band 18, Nr. 2, 1979, S.261) für einen bei beachtlich höheren Temperaturen betriebenen Jet-Reaktor berichteten Ausbeuten. Die großen thermischen Gradienten und die unzureichend Vermischung zur Bildung eines Calciumsilikatproduktes waren für Chase et al Probleme, die durch die vorliegende Erfindung überwunden werden.

Die hohen Ausbeuten in den Tests, die einen höheren Siliziumdioxidgehalt verwenden, im Gegensatz zu der Ausbeute in Test Nr. 28, zeigen den Nutzen der Herstellung eines Calciumsilikates anstelle eines Kalkproduktes. Während Chase et al über ein festes Produkt von einer ähnlichen Größe wie die Beschickung berichten, bestand das Produkt in Test Nr. 18A aus glasigen Kugeln mit einem mittleren Teilchendurchmesser, der 1,6 mal größer als der der Beschickung war (eine Volumenzunahme von mehr als einem Faktor vier). Dieses Wachstum der Teilchengröße liefert einen überzeugenden Beweis, daß die Erfindung das Vermischen und die Kombination der Teilchen innerhalb der Reaktionszone fördert, ein Merkmal, das in den Reaktoren vom plasma-chemischen Typ, wegen der kurzen Verweilzeit und den großen Gasvolumina, nicht gefunden wird.

Die für Test Nr. 22 erhaltenen Ausbeuten zeigten, daß der aus dem gecrackten Propan erhaltene Kohlenstoff als Kohlenstoffquelle äquivalent oder besser als der Koks ist. Tests Nr. 18A und 22 zeigen, daß das Kohlenmonoxid auf die Ausbeute keine nachweisbare Wirkung ausübt.

Eine vergrößerte Verweilzeit oder eine erhöhte Reaktionstemperatur würde offenbar eine nahezu völlige Freisetzung des Phosphors bewirken. Eine größere Verweilzeit und höhere Temperatur liegen jedoch beide außerhalb der Möglichkeiten der der in diesen Tests verwendeten Ausrüstung.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt die Herstellung von Phosphoroxid aus der thermischen Zersetzung von Phosphaterz mittels der Erfindung. Das nachstehend beschriebene Experiment wurde in dem in Beispiel 1 beschriebenen Reaktor ausgeführt. Beschickungsmaterialien wurden wie in Beispiel Eins mit einer Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff als Dispersionsgas eingebracht. Stickstoff wurde als Schutzgas hinzugefügt. Beim Verlassen des HFTW-Reaktors passierte das Material eine 1,59 m (sechzig Inch) lange Kühlzone mit einem Durchmesser von 0,45 m (achtzehn Inch), bevor es einen Einbau-Sammelbehälter für Festprodukte erreichte, wo die gasförmigen und festen Produkte getrennt wurden.

Beschickungsmischungen wurden durch einstündiges Mischen von gemahlenen Proben von Phosphaterz, Ton, calciniertem Petroleumkoks und ungefähr eineinhalb Prozent (w/w) Ruß in einem Mischer vom V-Typ hergestellt, um die in Tabelle Vier gegebene Beschickungsmischung zu ergeben. Der Ruß war vorhanden, um wie in Beispiel 1 eine Strahlungsaufnahme sicherzustellen und auch als Heizwert. Sauerstoff wurde mit einer Geschwindigkeit zugesetzt, die dem Doppelten der stöchiometrisch für die Kohlenstoffverbrennung Erforderlichen entsprach, um Kohlendioxid zu ergeben, zur Sicherstellung einer oxidierenden Atmosphäre innerhalb des Reaktorrohres. Analyse des festen Produktes zeigte, daß ungefähr sechzig Prozent des Kohlenstoffs verbrannt war.

Die in diesem Test angewandten Reaktorbedingungen sind in Tabelle 5 gegeben. Die Gase, die den Sammelbehälter verließen, wiesen 262ºC (504 Grad Fahrenheit) auf, so daß einiges an Kondensation des Phosphordekaoxidproduktes (Sublimationstemperatur 360ºC (680 Grad Fahrenheit)) zustandekam. Da die kleineren Teilchen beim Verlassen des Reaktorrohres mit einer größeren Geschwindigkeit abkühlen, würde eine Kondensation die berechnete Produktausbeute für kleine Teilchen stärker beeinflussen als für große Teilchen.

Die gesamte Phosphoroxidausbeute, wie sie aus der Analyse des Festproduktes berechnet wurde, war 11,7 Prozent (Tabelle Sechs). Analyse der -200 Tyler-Maschen-Fraktion (Teilchen mit weniger als ungefähr 75 Mikrometer Durchmesser), die 3,7 Gewichtsprozent an Produkt ausmachten, ergaben jedoch eine scheinbare Phosphoroxidausbeute von nur 1,2 Prozent. Analyse des Produkts in der -35, +48 Tyler-Maschen-Fraktion (Teilchen mit Durchmessern zwischen 300 und 400 Mikrometern), die 27,2 Gewichtsprozent an Produkt ausmachten, ergaben eine scheinbare Ausbeute von 12,7 Prozent. Die Ausbeute für Teilchen in der -65, +100 Tyler-Maschen-Fraktion (Teilchen mit Durchmesser zwischen 147 und 200 Mikrometern) (24,0 Gewichtsprozent an Produkt) betrug 15,6 Prozent mit niedrigeren Ausbeuten für Teilchen, die entweder größer oder kleiner als die Teilchen dieser Größenfraktion waren.

Untersuchungen repräsentativer Proben der 74 um (-200 Maschen) und 147-250 um (-65, +100 Maschen)-Fraktionen mittels Rasterelektronenmikroskops /Energiedispersiver Röntgenanalyse (SEM/EDX) offenbarte die Gründe für die vorstehend festgestellten Beziehungen zwischen Ausbeute und Größe. Figur Zwei ist das SEM-Bild einer repräsentativen Probe einer 74 um (-200 Maschen)-Fraktion aus Test Nr. 12 und Tabelle Sieben gibt die SEM/EDX-Analyse der Oberfläche der in Fig. 2 identifizierten Teilchen wieder. Figur Drei und Tabelle Acht liefern die entsprechende Information für das 147-250 um (-65, +100 Maschen) Produktmaterial. Figur Vier stellt das SEM-Bild des Teilchens 2 in Fig. 2 dar.

Die Ausbeuten in Tabelle 7 wurden mittels folgender Gleichung ermittelt:

Der Phosphor in der Phosphaterzbeschickung minus dem in der den Reaktor verlassenden Schlacke verbliebenen Phosphor, geteilt durch den Phosphor in der Phosphaterzbeschickung.

Die in Tabelle 7 berichteten negativen Ausbeuten sind das Ergebnis der Kondensation des Phosphordekaoxids auf der Oberfläche der Schlackenteilchen. Der verbliebene Teil des Phosphors, der in dem Reaktor aus dem Phosphaterz umgewandelt worden war, verließ den Reaktor als Gas. Die kondensierten Phosphorprodukte können in Fig. 4 auf der Oberfläche der Schlacke gesehen werden. Wenn der Phosphor auf der Oberfläche der Schlacke berechnet, und dem Phosphorgas, das den Reaktor verläßt hinzugefügt wird, sind die Ausbeuten in allen Fällen viel größer als die von A.L. Mosse, et al (2nd International Congress of Phosphorus Compounds Proceedings, Institute Mondial du Phosphate, 1980) für die Phosphoroxidproduktion in plasmachemischen Reaktoren bei ungefähr der gleichen Temperatur. Die Beschränkungen der plasmachemischen Reaktoren in Bezug auf ein unangemessenes Mischen für die Bildung des Calciumsilikatproduktes, der kurzen Verweilzeit und thermischer Gradienten, verursachen viel geringere Ausbeuten als die Erfindung.

Die Ausbeuten in Tabelle 7 können durch eine Verringerung der Größe des Beschickungsmaterials verbessert werden, wobei eine größere Oberfläche pro Gewichtseinheit erhalten wird, um eine bessere Freisetzung des Phosphordekaoxids zu gestatten. Vergrößerte Verweilzeit und/oder hohe Temperatur würde ebenfalls die Ausbeuten verbessern. Eine Abnahme im Sauerstoffbereich, um der Stöchiometrie der Kohlenstoffverbrennung besser zu entsprechen, würde den Gasstrom verringern, und ein verbessertes Mischen gestatten (wie es auch andere Verfahren zur Verringerung des Gasstromes tun würden). Ferner würde eine Trennung der Feststoffe von den gasförmigen Produkten bei einer Temperatur, die die Kondensationstemperatur des Phosphordekaoxids übersteigt, die Ausbeute ebenfalls erhöhen.

BEISPIEL 3

Dieses Beispiel zeigt, wie die Hochtemperaturzersetzung anderer Calciummineralien unter Verwendung der Erfindung ins Auge gefaßt werden kann. Die Zersetzung von Calciumfluorid in Anwesenheit von Wasserdampf, um Fluorwasserstoff und Kalk zu ergeben,

CaF&sub2; + H&sub2;O = 2HF + CaO.

ist solch ein Beispiel. Bei Umgebungstemperatur ist die Rückreaktion mit einer freien Energie von -328 KJ/mol begünstigt. Bei einer Temperatur von 4040 Grad Fahrenheit verläuft die Hinreaktion jedoch mit einer freien Energie von -687 KJ/mol, was klar begünstigt ist. Dieses Beispiel veranschaulicht die Reichweite dieses Prozesses für die Hochtemperaturreaktion von beinahe jeder Calciumverbindung.

TABELLE EINS: Beschickungszusammensetzungen für die Tests zur Herstellung von Phosphor
Test Nr.: Nicht-Kohlenstoff Mittlere Teilchengröße (Mikrometer)
TABELLE ZWEI: Reaktorbedingungen für die Tests zur Herstellung von Phosphor
Test Nr.: Äußere Wandtemp. des Kerns Dispersionsgas: Sm³/h* Stickstoff SCFM Stickstoff Sm³/h* Kohlenmonoxid SCFM Kohlenmonoxid Sm³/h* Propan SCFM Propan Schutzgas: SM³/h* Stickstoff SCFM Stickstoff Beschickungsgeschwindigkeit der Feststoffe: Temperatur der Gase, die den Produktsammelbehälter verlassen *Sm³/h = m³/h bei 1 atm. und -17,8ºC
TABELLE DREI: Festproduktzusammensetzung für die Phosphortests
Test Nr.: Mittlere Teilchengröße (Mikrometer) Ausbeute (aus der Schlackenanalyse)

TABELLE VIER: Beschickungszusammensetzung für den Phosphoroxidtest

Test Nr.: 12

% CaO 21,92

% P&sub2;O&sub5; 15,38

% F 1,41

% C 7,43

Mittlere Teilchengröße (Mikrometer) 210

TABELLE FÜNF: Reaktorbedingungen für den Phosphoroxidtest.

Test Nr.. 12

Äußere Wandtemp. (ºC) 2435

des Kerns (ºF): (4415)

Beschickungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs Sm³/h* 3,65

(FM) (2,15)

Beschickungsgeschwindigkeit des Stickstoffs Sm³/h* 72,20

(SCFM) (42,50)

Beschickungsgeschwindigkeit der Feststoffe g/s 3,40

(lbs./min)) (0,45)

Temperatur (ºF) der Gase, die den Produktsammelbehälter 262ºC

verlassen (504)

*S m³/h = m³/h bei 1 atm. und -17,8ºC

TABELLE SECHS: Produktzusammensetzung für den Phosphoroxidtest

Test Nr. : 12

% CaO 27,35

% P&sub2;O&sub5; 16,94

Mittlere Teilchengröße (Mikrometer) 205

Ausbeute aus der Schlackenanalyse 11,7

TABELLE SIEBEN: Oberflächenanalyse (SEM/EDX) der 0,074 mm (-200 Maschen)-Teilchen in Test Nr. 12
Teilchen Nr.* P/Ca Atomverhältnis Si/Ca Atomverhältnis Scheinbare Ausbeute (%) Bemerkung Kohlenstoffteilchen Geschmolzenes Tonteilchen *: Identifiziert in Fig. 2
TABELLE ACHT: Oberflächenanalyse (SEM/EDX) der 147-250 um (-65, +100 Maschen)-Teilchen in Test Nr. 12
Teilchen Nr.* P/Ca Atomverhältnis Si/Ca Atomverhältnis Scheinbare Ausbeute (%) *: Identifiziert in Fig. 3


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Umwandlung eines Calciumphosphatminerals in einer reduzierenden oder oxidierenden Atmosphäre in ein calciumhaltiges Festprodukt und einen gasförmigen Strom, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(i) Mischen des Calciumphosphatminerals mit einem fossilen Brennstoff, und

(ii) Verbrennen des fossilen Brennstoffes in einem Hochtemperatur-Fluidwandreaktion Gegenwart einer stöchiometrischen oder überschüssigen Menge einer Sauerstoffquelle, wodurch das Calciumphosphatmineral für weniger als eine Minute einer Temperatur unterworfen wird, die 2037ºC (3400ºF) übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Calciumphosphatmineral Phosphaterz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsschritt eine reduzierende Atmosphäre erzeugt und das Verfahren elementaren Phosphor und ein calciumhaltiges Festprodukt erzeugt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsschritt eine oxidierende Atmosphäre erzeugt und das Verfahren Phosphoroxide und ein calciumhaltiges Festprodukt erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil der zum Erreichen der gewünschten Reaktionstemperatur erforderlichen Wärme durch elektrische Energie geliefert wird.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com