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Gegenstand
der Erfindung ist die Bereitstellung einer energieeffizienteren
Anlage zur Nutzbarmachung von Abwärme und Restgasen aus
der technischen Herstellung von Kohlenstoffverbindungen, wie Ruß,
Graphit oder aus der Zuckerpyrolyse, mittels einer Kraft-Wärme-Kopplung
oder eines thermischen Wärmekraftwerkes zur Herstellung
von elektrischer Energie, insbesondere für den Betrieb
von Schmelzöfen, und/oder zur Nutzung der Abwärme
in endothermen Prozessen sowie die entsprechende Verwendung der
Abwärme.
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Durch
die erfindungsgemäße Anlage kann eine erhebliche
Prozessintensivierung bei der Herstellung von Silizium erreicht
werden, die zu einer deutlichen Reduktion von klimaschädlichem
Kohlendioxid und/oder Kohlenmonoxid sowie zu einem signifikant geminderten
Bedarf an elektrischer Energie führt. Darüber
hinaus kann durch Rückführung von Siliziumoxid,
welches bei der Reduktion von Siliziumdioxid zu Silizium im Lichtbogenofen
gebildet wird, die Stoffbilanz des eingesetzten Siliziums im Gesamtverfahren
deutlich gesteigert werden.
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Bislang
wird die Abwärme, d. h. die thermische Energie, die bei
der Herstellung von Ruß (Carbon Black) anfällt,
nicht technisch und wirtschaftlich für andere Prozesse
nutzbar gemacht. Die Abwärme der Carbon-Black Verfahren
wird üblicherweise aktuell zur Vorwärmung bzw.
Vorheizung der Edukte, wie Verbrennungsluft und Öl, desselben
Verfahrens genutzt. Entsprechend wird bislang auch die Abwärme der
Herstellung von Silizium, insbesondere in Form von heißen
Prozessgasen, lediglich mit Luft gequencht und zur Abtrennung von
Siliziumdioxid durch Heißgasfilter geleitet. Das anfallende
Tailgas in diesen Verfahren wird verstromt. Eine Nutzbarmachung der
erheblichen Mengen an thermischer Energie aus der Carbon-Black-
oder der Silizium-Herstellung zur Energieeinsparung in anderen Prozessen
war bislang nicht möglich. Insbesondere bei der Herstellung der
hochreinen Ruße oder von Silizium, welches zur Herstellung
von Solarsilizium oder auch zur Herstellung von Halbleitersilizium
geeignet ist, war die Überführung der überschüssigen
thermischen Energie aufgrund der notwenigen räumlichen
Trennung bestimmter Prozesse zur Herstellung hochreiner Produkte
undenkbar. Die äußerst hohen Anforderungen an
die jeweilige Reinheit der Produkte und die Möglichkeit
einer gegenseitigen Kontamination schloss diese Möglichkeit
kategorisch aus.
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Als
Verfahren zur Herstellung von Rußen ist das Gasruß-Verfahren
(DRP 29261,
DE-PS 2931907 ,
DE-PS 671739 ,
Carbon
Black, Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DECCER, INC, New York, Seite
57 ff.) bekannt, bei dem ein mit Öldämpfen
beladenes wasserstoffhaltiges Traggas an zahlreichen Austrittsöffnungen
in Luftüberschuss verbrannt wird. Die Flammen schlagen
gegen wassergekühlte Walzen, was die Verbrennungsreaktion
abbricht. Ein Teil des im Flammeninneren gebildeten Ruß schlägt
sich auf den Walzen nieder und wird von diesen abgeschabt. Der im
Abgasstrom verbleibende Ruß wird in Filtern abgetrennt.
Ferner ist das Channelruß-Verfahren (
Carbon Black,
Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DECCER, INC, New York, Seite 57 ff.)
bekannt, bei dem eine Vielzahl von Erdgas gespeisten kleinen Flammen
gegen wassergekühlte Eisenrinnen (Channels) brennen. Der
an den Eisenrinnen abgeschiedene Ruß wird abgeschabt und
in einem Trichter aufgefangen.
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Bei
den genannten Prozessen entsteht eine große Menge an Abwärme,
insbesondere in Form von heißen Restgasen mit Temperaturen
kleiner 200°C, wie unter anderem heißem Wasserdampf. Beim
Furnace-Ruß-Prozess entsteht Tailgas als Restgas.
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Bislang
wird die Abwärme den Gasen teilweise entzogen, beispielsweise über
Kondensatoren, sodann werden die Gase aufgereinigt und in die Umwelt
abgeblasen. Die entzogene Abwärme wird bislang nicht umfangreich
genutzt.
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Aufgrund
der feinpartikulären Struktur der Ruße ist eine
Verunreinigung anderer Anlagenteile mit Ruß nicht auszuschließen.
Aus diesem Grund wurden derartige Anlagen nicht an einer Produktionsstätte
mit anderen Anlagen, die ebenfalls zur Herstellung hochreiner Verbindungen
genutzt wurden, kombiniert.
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Demgegenüber
benötigt beispielsweise der Trocknungsschritt bei der Herstellung
von Siliziumoxid, insbesondere von Siliziumdioxid, wie Fällungskieselsäure
oder Kieselsäure, welche mittels Ionentauscher gereinigt
wurde, eine Zuführung von besonders viel Energie, um die
feuchten Siliziumoxide zu trocknen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es eine energieeffiziente Anlage
zu entwickeln sowie eine effiziente Verwendung der thermischen Energie bei
der Herstellung von Ruß, und insbesondere von Siliziumdioxid
bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe war es, eine Gesamtanlage
zu entwickeln, die es ermöglicht die thermische Energie
mit einem hohen Wirkungsgrad für ein Gesamtverfahren bzw.
die Gesamtverwendung bei der Herstellung von Silizium zu nutzten.
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Gelöst
werden die Aufgaben durch die erfindungsgemäße
Anlage, insbesondere als Gesamt- oder auch Teilanlage, und die erfindungsgemäße Verwendung
entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche,
in den Unteransprüchen und in der Beschreibung sind bevorzugte
Ausführungsformen offenbart.
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Erfindungsgemäß ist
ein Gegenstand eine Gesamtanlage 2 mit einem Reaktor 4.1 zur
thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen,
wobei der Reaktor mit einer Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 verbunden
ist, über die ein Teil der Abwärme 5.3 aus
der thermischen Umsetzung ausgekoppelt und ein anderer Teil der
Abwärme in elektrische Energie 5.2 umgewandelt
wird, wobei die ausgekoppelte Abwärme 5.3 im Verfahren
zur Herstellung von Siliziumoxid, insbesondere in einem Verfahrensschritt
bei der Herstellung von Siliziumdioxid, in der Vorrichtung 7.1 genutzt
wird. Besonders bevorzugt wird die Abwärme mittelbar oder
unmittelbar zur Erwärmung oder Temperarturregelung des
Fällbehälters zur Bildung von Fällungskieselsäuren
oder Kieselgelen und/oder zur Trocknung von Siliziumoxid, insbesondere
von Siliziumdioxid, wie Fällungskieselsäure oder
Kieselgele, die über Ionentauscher aufgereinigt wurde,
in der Vorrichtung 7.1 genutzt, insbesondere wird die Abwärme 5.3 über
Wärmetauscher 8, bevorzugt in einem Sekundärkreislauf
geführt. Gemäß einer bevorzugten Alternative
kann eine unmittelbare Trocknung von SiO2 mit überhitztem
Dampf 5.3 erfolgen, wie in 2b oder 2c dargestellt. Mit
Niedertemperaturdampf 5.3 können Kontakttrockner,
wie sie nachstehend beschrieben sind, betrieben werden.
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Die
gewonnene elektrische Energie aus der Kraft-Wärme-Kopplung 5.2 kann
zur Energieversorgung eines Reaktors 6.1 zur Reduktion
von metallischen Verbindungen, zur Herstellung von Siliziumdioxid,
besonders bevorzugt bei der Herstellung von Fällungskieselsäure,
pyrogener Kieselsäure oder Kieselgelen genutzt werden und/oder
bevorzugt zur Trocknung und/oder zur Temperaturregelung während
der Fällung, in der Vorrichtung 7.1 genutzt werden.
Gleichfalls ist die Nutzung der elektrischen Energie für
den Betrieb einer Vorrichtung bei der Herstellung von pyrogenen
Oxiden, beispielsweise pyrogener Kieselsäure, möglich.
In einer möglichen Ausführungsvariante kann die
elektrische Energie bei der Desorption zur HCl-Rückgewinnung
in diesen Verfahren genutzt werden. Die Gesamtanlage erlaubt es das
Siliziumoxid und die Rußproduktion an einem Standort vorzusehen
und gegebenenfalls den Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen
Verbindungen über ein Stromnetz an einem anderen Ort vorzusehen.
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Zur
Kraft-Wärme-Kopplung können dem Fachmann hinlänglich
bekannte Vorrichtungen 5.1 oder Anlagen 5.1 eingesetzt
werden. Die Kraft-Wärme-Kopplung hat einen wesentlich besseren
Wirkungsgrad als die reine Stromgewinnung von thermischen Wärmekraftwerken.
Der Gesamtnutzungsgrad von Kraft-Wärme-Kopplung kann in
besonders bevorzugten Fällen bis zu 90 Prozent betragen.
Dabei kann die Kraft-Wärme-Kopplung erfindungsgemäß nicht
nur strom- und wärmegeführt, sondern auch ausschließlich
strom- oder wärmegeführt betrieben werden. Eine
Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet in der Regel mit heißem
Wasserdampf, der Dampfturbinen antreibt, über die dann
die Stromerzeugung stattfindet. Die Auskopplung von Wasserdampf
und Zuführung in einen Wärmetauscher, bevorzugt
in Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid, wie beispielsweise
zur Temperaturregelung oder zur Trocknung von Siliziumoxid, in einer
Vorrichtung 7.1, erfolgt in der Regel vor der letzten Turbinenstufe.
In der erfindungsgemäßen Anlage kann die Auskopplung zweckmäßig
auch nach der letzten Turbinenstufe erfolgen. Üblicherweise
erfolgt beispielsweise die Temperaturregelung eines Fällungsbehälters
oder die Trocknung des Siliziumoxids, wie Fällungskieselsäure
oder eines Kieselgels, über Wärmetauscher, also über
einen Sekundärkreislauf. Ebenso ist eine unmittelbare Nutzung
der Abwärme zur Trocknung möglich, wie vorstehend
beschrieben. Die Kraft-Wärme-Kopplung kann die Abwärme
aus der Rußherstellung, wie vorzugsweise nach der Quenchzone
oder anderen heißen Reaktorteilen, beispielweise über Wärmetauscher
oder direkte Nutzung der Prozessdämpfe und/oder aus der
Verbrennung der Tailgase, die ihrerseits zur Herstellung von Wasserdampf
dienen können, beziehen. Bevorzugt wird die Kraft-Wärme-Kopplung
mit Dampf betrieben. Die Tailgase enthalten unter anderem Wasserdampf,
Wasserstoff, Stickstoff, Cx, Kohlenmonoxid, Argon, Schwefelwasserstoff,
Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Amide, Stickstoff enthaltende Verbindungen,
Metalloxide, wie Aluminiumoxide und/oder Kohlendioxid. Bevorzugt
arbeitet die Kraft-Wärme-Kopplung im Gegendruckberieb,
wodurch keine thermischen Verluste in den Dampfkreisprozessen auftreten.
Hierdurch besteht in der Regel kein Bedarf an frischem Kühlwasser.
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Erfindungsgemäß kann
ein Trägergas nach der Vorwärmzone der Verbrennungsluft
und/oder die Abwärme aus der Verbrennung der Tailgase in 5.1 als Abwärme 5.3 genutzt
werden. Besonders bevorzugt kann auch überhitzter Dampf 5.3 aus 4.1 oder über 5.1 direkt
in einem Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid genutzt werden wie
es in den 2b und 2c dargestellt
ist, insbesondere zur direkten Trocknung von Siliziumdioxid, wie
Kieselgel oder gefällter Kieselsäure. Zusätzlich
oder alternativ kann mit Niedertemperaturdampf ein Kontakttrockner
(Vorrichtung 7.1), beispielsweise Plattentrockner oder
bevorzugt ein Drehrohrtrockner betrieben werden. Mit dem gewonnenen
Strom aus 5.1 können bevorzugt auch Primärtrockner,
insbesondere Düsenturmtrockner oder Spinflashtrockner zur
Trocknung von Siliziumdioxid betrieben werden.
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Erfindungsgemäß ist
es möglich die Rußproduktion und die Herstellung
von Siliziumoxid, insbesondere der Fällungskieselsäure
bzw. des Kieselgels, in einer Produktionsstätte oder auch
in einer gemeinsamen Anlage vorzusehen, weil eine mögliche wechselseitige
Kontamination von Ruß und Siliziumoxid zur Herstellung
von Silizium, insbesondere von Solarsilizium im Reaktor 6.1 für
diesen Gesamtprozess unerheblich ist. Diese Kombination war bislang undenkbar,
da eine Kontamination von Ruß mit Siliziumdioxid bzw. Siliziumdioxid
mit Ruß zu vermeiden war. In den hier zugrundeliegenden
Verfahren zur Herstellung von Silizium aus Siliziumoxid, insbesondere
Siliziumdioxid, und Ruß und/oder pyrolysierten Kohlenhydraten
wird das Siliziumoxid in dem Reaktor 6.1 zu Silizium reduziert,
so dass für diese spezielle Anwendung die wechselseitige
Verunreinigung von hochreinem Ruß, hochreinem pyrolysierten
Kohlenhydraten oder hochreinem Siliziumdioxid nicht stört.
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Gleichfalls
bevorzugt erfolgt die Nutzung der Abwärme aus den einzelnen
Anlagenteilen oder auch aus der Verbrennung von Tailgas der Rußherstellung
mittels Wärmetauscher 8 über einen Sekundärkreislauf,
um eine Kontamination der hochreinen Ruße, Kohlenstoff
enthaltenden Verbindungen oder des hochreinen Siliziumoxids, insbesondere
Siliziumdioxids, mit anderen Verunreinigungen, wie anderen Metallen
zu unterbinden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Gesamtanlage, wie 0a oder 0b,
in der ein Reaktor 4.1 zur thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden
Verbindungen mit einer Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 verbunden
ist, über die ein Teil der Abwärme 5.3,
aus der thermischen Umsetzung in 4.1, ausgekoppelt und
ein anderer Teil der Abwärme in elektrische Energie 5.2 umgewandelt
werden kann, wobei die ausgekoppelte Abwärme 5.3,
insbesondere in Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid, in
einer Vorrichtung 7.1 genutzt wird. Dabei kann die Vorrichtung 7.1 einen
Teil einer Anlage zur Herstellung von Siliziumdioxid darstellen.
Bevorzugt kann die Abwärme 5.3 oder der Abwärmestrom 5.3 zur
Temperaturregelung eines Fällungsbehälters und/oder
zur Trocknung von Siliziumoxid, insbesondere von Siliziumdioxid,
wie Fällungskieselsäure, Kieselgel oder Kieselsäure,
die über Ionentauscher aufgereinigt wurde, in der Vorrichtung 7.1 genutzt werden.
Dabei wird die ausgekoppelte Abwärme insbesondere unmittelbar
(siehe 2b/2c) oder mittels
Wärmetauscher 8, wie in 4a und 4b, und
die elektrische Energie 5.2 zur Energieversorgung eines
Reaktors 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
oder in Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid, insbesondere
für die Vorrichtung 7.1 genutzt und gegebenenfalls
kann zusätzlich die Abwärme 6.2 aus dem
Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
in einem Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid, beispielsweise zur
Temperaturregelung oder zur Trocknung von Siliziumoxid in der Vorrichtung 7.1 genutzt
werden. In Alternativen kann die Kraft-Wärme-Kopplung auch
rein strom- oder wärmegeführt sein.
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Zur
weiteren Optimierung der Energiebilanz ist es bevorzugt, wenn die
Abwärme 6.2 des Reaktors zur Reduktion von metallischen
Verbindungen in der Vorrichtung 7.1 genutzt wird, insbesondere
wird die Abwärme 6.2 über Wärmetauscher 8 aus
dem Reaktor 6.1 in die Vorrichtung 7.1 überführt.
Dies kann erfolgen, indem die Abwärme, insbesondere ein Abwärmestrom 6.2,
des Reaktors 6.1 mit der Vorrichtung 7.1 verbunden
ist.
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Bevorzugt
werden zudem die heißen Prozessgase aus dem Reaktor 6.1 zur
Reduktion von metallischen Verbindungen über eine Heißgasleitung 6.3 in
den Reaktor 4.1 zur thermischen Umsetzung von Kohlenstoff
eingeleitet. Bevorzugt verbindet eine Heißgasleitung 6.3 den
Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
und den Reaktor 4.1 zur thermischen Umsetzung von Kohlenstoff,
insbesondere zur Überführung der heißen
Prozessgase aus dem Reaktor 6.1 in den Reaktor 4.1.
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Zusätzlich
oder alternativ können die heißen Prozessgase
aus dem Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen über
eine Heißgasleitung 6.3 in die Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 oder
in das thermische Wärmekraftwerk 5.1 geleitet
werden. Bevorzugt verbindet eine Heißgasleitung 6.3 den
Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
mit der Kraft-Wärmekopplung 5.1 bzw. einem thermischen
Wärmekraftwerk 5.1, insbesondere zur Überführung
der heißen Prozessgase aus dem Reaktor 6.1 in 5.1 zur
Dampferzeugung. Diese Auslegung der Anlage ist exemplarisch in der
Anlage 0c in 4c für alle denkbaren
Gesamt- oder Teilanlagen dargestellt.
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Die
Heißgasleitung 6.3 der Anlagen 0a, 0b oder 1c ist
erfindungsgemäß so ausgelegt, dass sie eine Kondensation
des gasförmigen Siliziumoxids der heißen Prozessgase,
die bei der Herstellung von Silizium entstehen, weitestgehend unterbindet.
Die heißen Prozessgase umfassen üblicherweise
Kohlenmonoxid, Siliziumoxid und/oder Kohlendioxid. Die Kondensation
des Siliziumoxids birgt ein erhebliches Risiko einer Detonation.
Daher ist die Heißgasleitung an ihrer inneren Oberfläche
mit einer sogenannten Beschleierung versehen, die diese Kondensation
auf der inneren Oberfläche der Heißgasleitung
vermindert, bevorzugt verhindert. Alternativ zur Beschleierung kann
die Heißgasleitung mit einer Begleitheizung ausgestattet
sein und/oder über die Fläche eine Luftgaszugabe
zur Temperaturregelung aufweisen, insbesondere zur reaktiven Temperaturerhöhung, bevorzugt
im Wandbereich. Durch die Rückführung der heißen
Prozessgase aus dem Reduktionsschritt zu schmelzflüssigem
Silizium in 6.1 in den Reaktor 4.1 kann die Ausbeute
an Silizium um bis zu 20 Mol.-% gesteigert werden, weil das gebildete,
gasförmige Siliziumoxid im Prozess verbleibt. Somit kann der
Gesamtprozess durch die erfindungsgemäße Anlage
auch zu einer Ausbeutesteigerung an Silizium in Bezug auf das eingesetzte
Siliziumoxid führen. Aufgrund der eingebrachten Wärmetönung
der Heißgase reduziert sich zugleich auch die Menge an
Erdgas bei der Rußherstellung.
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Die
Beschleierung kann beispielsweise über die Generierung
von Votrex-Wirbeln geschehen. Als weiterer Bestandteil der heißen
Prozessgase wird unter anderem Kohlenmonoxid in den Reaktor 4.1 überführt.
In dem zugrundliegenden Verfahren stört die Einleitung
von Siliziumoxid in den Reaktor zu Herstellung von Ruß oder
zur Pyrolyse von Kohlenhydraten nicht, wenn die Reaktionsprodukte
zur Herstellung von Silizium genutzt werden. Zudem ermöglicht die
Einleitung von Kohlenmonoxid in den heißen Prozessgasen über
die Heißgasleitung in den Reaktor 4.1 dort eine
günstige Verschiebung des Gleichgewichts des Heißgases
bei der Verbrennung oder thermischen Spaltung der Rußrohstoffe
oder der Kohlenhydrat enthaltenden Verbindungen. Durch die ermöglichte
Verfahrensführung in der erfindungsgemäßen Anlage
geht eine deutliche Reduktion von Kohlenoxiden, insbesondere von
Kohlendioxid in dem Gesamtverfahren zur Herstellung von Silizium
einher.
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Strom 7.2 gibt
schematisch den Stoffstrom wieder, der mittelbar oder unmittelbar
ein Produkt aus der Vorrichtung 7.1, beispielsweise ein
Fällbehälter oder Reaktor zur Trocknung von Siliziumdioxid,
in den Reaktor 6.1 überführbar ist. Dabei
kann das unmittelbare Produkt aus 7.1 noch einer Weiterverarbeitung,
wie Trocknung, Vermahlung, Granulierung, Tablettierung, Umsetzung
oder Vermengung mit Ruß, Kohlenhydraten oder Kohlenhydrat
enthaltenden Verbindungen, oder anderen Verarbeitungs- oder Prozessschritten
zugeführt werden, bevor das mittelbare Produkt dem Reaktor 6.1 zugeführt
wird.
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Gemäß einer
Alternative ist Gegenstand der Erfindung eine erfindungsgemäße
Anlage – Teilanlage – 1a mit einem Reaktor 4.1 zur
thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, wobei
der Reaktor mit einer Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 verbunden
ist, über die ein Teil der Abwärme 5.3 aus
der thermischen Umsetzung ausgekoppelt und/oder ein anderer Teil
der Abwärme in mechanische oder elektrische Energie 5.2 umgewandelt
wird, oder, wobei der Reaktor 4.1 mit einem thermischen Wärmekraftwerk 5.1 verbunden
ist, über das die Abwärme in mechanische oder
elektrische Energie 5.2 umgewandelt wird. Die gewonnene
elektrische Energie kann in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden,
intern zur Stromversorgung oder erfindungsgemäß zum
Betrieb der Lichtbogenöfen bei der Siliziumherstellung
oder zur Herstellung, von Siliziumoxid, bevorzugt von Fällungskieselsäure
oder pyrogener Kieselsäure oder Kieselgelen, bei Fällungskieselsäuren
und Kieselgelen besonders bevorzugt zur Trocknung oder Erwärmung
des Fällbehälters, verwendet werden.
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In
einer möglichen Ausführungsvariante kann die elektrische
Energie im Verfahren zur Herstellung pyrogener Kieselsäure
beispielsweise bei der Desorption zur HCl-Rückgewinnung
in diesen Verfahren genutzt werden. Die ausgekoppelte Abwärme
kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden, wobei es
bevorzugt ist, die Abwärme über Wärmetauscher
im Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid, wie zur Temperaturregelung
oder zur Trocknung von Siliziumoxid, insbesondere von Siliziumdioxid
zur Weiterverwendung bei der Herstellung von Silizium zu nutzen.
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Als
Reaktor zur thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen
gelten alle Reaktoren zur Herstellung von Ruß, Graphit,
Kohle oder generell einer eine Kohlenstoffmatrix enthaltende Verbindung,
beispielsweise auch Siliciumcarbid enthaltende Kohlenstoffe sowie
weitere dem Fachmann geläufige entsprechende Verbindungen.
Erfindungsgemäß ist der Reaktor 4.1 zur
thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen
ein Reaktor bzw. Ofen zur Herstellung von Ruß (Carbon Black)
oder zur Verbrennung und/oder Pyrolyse von Kohlenhydraten, beispielsweise
der Pyrolyse von Zucker, gegebenenfalls in Gegenwart von Siliziumdioxid,
zur Herstellung von Kohlenstoff enthaltenden Matrices, beispielsweise
in Gegenwart von hochreinem Siliciumoxid. Übliche Reaktoren
zur Herstellung von Ruß werden bei Prozesstemperaturen von
1200 bis über 2200°C in der Brennkammer betrieben.
Die bekanntesten Verfahren zur Herstellung von Ruß sind
das Lamp Black Verfahren, das Furnace Black Verfahren, das Gas Black
Verfahren, das Flammruß- Acetylenruß- oder Thermalrußverfahren. Dementsprechend
ist der Reaktor 4.1 bevorzugt zur Durchführung
der genannten Verfahren ausgelegt. Für die erfindungsgemäße
Anlage wird bevorzugt ein aus dem Stand der Technik bekannter Reaktor
zur Herstellung von Carbon Black oder zur thermischen Umsetzung
von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen eingesetzt. Derartige
Reaktoren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
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Übliche
Reaktorentypen umfassen generell alle Öfen, die zur Carbon-Black
Herstellung geeignet sind. Diese können wiederum mit verschiedenen Brennertechnologien
ausgestattet sein. Ein Beispiel dafür ist der Hüls'er
Lichtbogenofen (Lichtbogen). Für die Auswahl des Brenners
ist es entscheidend, ob eine hohe Temperatur in der Flamme oder
eine fette Flamme erzeugt werden soll. Als Aggregate können die
Reaktoren die folgenden Brenner umfassen: Gasbrenner mit integriertem
Verbrennungsluftgebläse, Gasbrenner für verdrallten
Luftstrom, Kombinationsgasbrenner mit Gaseindüsung über
periphere Lanzen, Hochgeschwindigkeitsbrenner, Schoppe-Impulsbrenner,
Paralleldiffusionsbrenner, kombinierte Öl-Gas-Brenner,
Stoßofenbrenner, Verdampfungsölbrenner, Brenner
mit Luft- oder Dampfzerstäubung, Flachflammenbrenner, gasbeheizte
Mantelstrahlrohre, sowie alle Brenner und Reaktoren, die sich zur
Herstellung von Ruß oder zur Pyrolyse von Kohlenhydraten
eignen, beispielsweise von Zucker gegebenenfalls in Gegenwart von
Siliziumdioxid. Als Reaktor 4.1 wird der gesamte Reaktor
oder auch Teile des Reaktor aufgefasst, beispielsweise umfasst der
Reaktor die Reaktionskammer, eine Verbrennungszone, eine Mischzone,
Reaktionszone und/oder Quenchzone. Erfindungsgemäß werden
in der Quenchzone Rekuperatoren genutzt, wie beispielsweise Strahlungsrekuperator
mit einem Kranz von Stahlrohren.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform sieht eine Kombination
vor, in der die erfindungsgemäße Anlage 1b oder 1b.1 – als
Teilanlage – einen Reaktor 4.1 zur thermischen
Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen umfasst, wobei
der Reaktor mit einer Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 verbunden
sein kann über die ein Teil der Abwärme 5.3 aus der
thermischen Umsetzung ausgekoppelt und/oder ein anderer Teil der
Abwärme in mechanische oder elektrische Energie 5.2 umgewandelt
werden kann, oder, wobei der Reaktor 4.1 mit einem thermischen Wärmekraftwerk 5.1 verbunden
ist, über das die Abwärme in mechanische oder
elektrische Energie 5.2 umgewandelt wird und die elektrische
Energie 5.2 zur Energieversorgung eines Reaktors 6.1 zur
Reduktion von metallischen Verbindungen, insbesondere eines Lichtbogenofens 6.1 elektrischer
Schmelzofen, thermischen Reaktor, Induktionsofen, Schmelzreaktors oder
Hochofens, bevorzugt zur Herstellung von Silicium, oder auch zur
Energieversorgung einer Vorrichtung 7.1 bei der Herstellung
von Siliziumdioxid, wie beispielsweise zur Temperierung eines Fällbehälters, zur
Trocknung von Siliziumoxid, wie SiO2, oder
auch für den Betrieb einer Vorrichtung im Verfahren zur Herstellung
von pyrogener Kieselsäure genutzt wird.
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Der
Fachmann weiß, dass 5.1 auch derart betrieben
werden kann, dass ausschließlich die Abwärme 5.3 oder
elektrische Energie 5.2 oder jegliche Mischformen genutzt
werden. Dabei wird die ausgekoppelte Abwärme 5.3 zur
Vorrichtung 7.1 geführt, insbesondere wird die
Abwärme 5.3 über einen Wärmetauscher 8 übertragen
oder unmittelbar als überhitzter Dampf genutzt (2b und 2c),
bevorzugt ist die Vorrichtung 7.1 Teil einer Anlage zur
Herstellung von Siliziumoxid.
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In
allen Varianten der erfindungsgemäßen Anlagen
kann der hergestellte Ruß, das pyrolysierte Kohlenhydrat, über 4.2 mittelbar
oder unmittelbar dem Lichtbogenofen 6.1 zugeführt
werden. Mittelbar bedeutet, dass die im Reaktor 4.1 hergestellten
Verbindungen noch weiter verarbeitet werden können, bevor
sie dem Reaktor 6.1 zugeführt werden. Beispielhaft,
aber nicht abschließend, kann der Ruß oder die
Kohlenstoff enthaltende Verbindung pelletiert oder brikettiert werden.
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Dabei
ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn
die Anlage eine Zuleitung 6.3 der heißen Prozessgase
aus dem Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen über
eine Heißgasleitung 6.3 in den Reaktor 4.1 zur
thermischen Umsetzung von Kohlenstoff aufweist, wie dies exemplarisch
für die Anlagen 1c und 0b dargestellt
ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erlaubt
die Anlage, insbesondere die Gesamtanlage 0a die Nutzung
der Abwärme 6.2 des Reaktors 6.1 zur
Reduktion von metallischen Verbindungen in Verfahren zur Herstellung
von Siliziumdioxid, wie beispielsweise zur Temperaturführung
von Fällbehältern oder bei der Trocknung von Siliziumdioxid
in der Vorrichtung 7.1, insbesondere wird die Abwärme 6.2 über
Wärmetauscher 8 aus dem Reaktor 6.1 in
die Vorrichtung 7.1 überführt.
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Die
Vorrichtung 7.1 kann in allen Anlagen ein Fällbehälter
zur Fällung oder Gelbildung von SiO2 oder
auch ein Trockner, ein Tunnelofen, Drehrohrofen, Drehrostofen, Wirbelbett,
Drehtischofen, zirkulierende Wirbelschichtvorrichtung, Durchlaufofen und/oder
ein Ofen zur Pyrolyse sein. So kann bevorzugt direkt überhitzter
Dampf 5.3, der mittelbar oder unmittelbar in 4.1,
beispielsweise durch Quenchen mit Wasser, aus der Abwärme
von 4.1 oder über die Verbrennung der Tailgase
aus 4.1 gewonnen wird, für eine Trocknung von
Siliziumdioxid eingesetzt werden (2b und 2c).
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Mit
Niedertemperaturdampf 5.3 bietet sich der Betrieb von Kontaktrocknern 7.1,
beispielsweise von Plattentrocknern oder besonders bevorzugt von Drehrohrtrocknern
an. Der über 5.1 gewonnene Strom 5.2 kann
direkt zum Betrieb von Primärtrocknern eingesetzt werden.
Dies sind bevorzugt Düsenturmtrockner oder Spinflashtrockner.
Dem Fachmann ist klar, das die vorgenannte Aufzählung nur
exemplarisch zu verstehen ist und auch andere übliche Trockner
verwendet werden können.
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Für
die Reaktoren 4.1 oder 6.1 gilt, dass die gesamte
oder auch Teile der dort entstehenden Abwärme, beispielsweise
der Reaktionszone, der heißen Reaktorteile, Dampf durch
Quenchen mit Wasser in 4.1 oder auch die Abwärme
der Reaktionsprodukte, wie Gase oder andere Stoffströme,
als genutzte Abwärme erfindungsgemäß erfasst
sein soll. Erfindungsgemäß wird insbesondere das
Restgas (Tailgas) verbrannt und die gebildete Abwärme in
der erfindungsgemäßen Anlage genutzt.
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Bevorzugt
arbeitet die Anlage kontinuierlich 24 Stunden an 7 Tagen in der
Woche, so dass auch die Nutzung der Abwärme, direkt oder über
die Wärmetauscher 8, in einem kontinuierlichen
Kreisprozess, insbesondere über Primär- und/oder
Sekundärkreisläufe, erfolgt. Die damit erzielbare
Einsparung an Energie kann pro Kilogramm getrocknetem Siliziumdioxid
zwischen 0,01 bis 10 kWh, bevorzugt 2 bis 6 kWh, besonders bevorzugt
um 2 kWh betragen. Dem Fachmann ist klar, dass die jeweilig erzielte
Energiebilanz unmittelbar von der Restfeuchte und der genutzten
Trocknervorrichtung sowie weiteren Prozessparametern abhängt,
so dass die genannten Werte nur als Richtwerte zu verstehen sind.
Bei einer Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie von etwa 0,01
bis 10 kWh, bevorzugt zwischen 0,1 bis 5 kWh je Kilogramm Ruß zur
Reduktion von je einem Kilogramm Siliziumdioxids zu schmelzflüssigem
Silizium, besteht ein Einsparpotential von 1 bis 10 kWh, insbesondere
von 4 bis 9 kWh unter Einbeziehung des Verfahrens zur Herstellung
von Siliziumdioxid. Zur Herstellung von etwa einem Kilogramm schmelzflüssigem
Silizium kann sich die Energieeinsparung auf 5 kWh bis 20 kWh erhöhen,
insbesondere kann sie, bei Betrachtung des Gesamtprozesses, umfassend
die Herstellung von Siliziumdioxid und Ruß sowie deren
Umsetzung zu Silizium, im Bereich um 17 kWh liegen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Abwärme 6.2 gemeinsam
mit der Abwärme 5.3 in einem Verfahren zur Herstellung
von Siliziumdioxid für die Vorrichtung 7.1 genutzt
werden, bevorzugt zur Temperierung oder zur Trocknung von Siliziumdioxid,
insbesondere von Fällungskieselsäure oder Kieselgel
bzw. Fällungskieselsäure oder Kieselgel welche(s)
mittels Ionentauscher gereinigt wurde. Bevorzugt erfolgt die Nutzung
der Abwärme 6.2 und/oder 5.3 zur Trocknung
der Kieselsäure über einen oder mehrere Wärmetauscher 8.
Die Vorrichtung 7.1 kann in allen Anlagen ein Teil einer
Anlage zur Herstellung von Siliziumdioxid sein.
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Wärmetauscher 8 werden
bevorzugt eingesetzt, um eine Kontamination des Siliziumdioxids, insbesondere
von hochreinem Siliziumdioxid zu verhindern. In diesen Wärmetauschern
wird mittels eines Sekundärkreislaufes die Abwärme
aus dem Reaktor 6.1 in einem Verfahren zur Herstellung
von Siliziumdioxid, wie zur Trocknung von Siliziumdioxid oder Temperierung
eines Fällbehälters genutzt. Üblicherweise
werden in den Wärmetauschern und/oder in den Zu- und Ableitungen
der Abwärme als Medium Wasser, eine übliche Kühlflüssigkeit
oder andere dem Fachmann hinlänglich bekannte Medien genutzt.
-
Eine
zweckmäßige Anlage 3 sieht auch die alleinige
Nutzung der Abwärme 6.2 aus dem Reaktor 6.1 zur
Reduktion von metallischen Verbindungen 5.3 in Verfahren
zur Herstellung von Siliziumdioxid in der Vorrichtung 7.1 vor,
insbesondere zur Temperierung eines Fällbehälters 7.1 oder
Trockners 7.1 zur Trocknung von Siliziumoxid, insbesondere
ist die Anlage 3 mit der Anlage 1a verbindbar,
bevorzugt wird die Abwärme 6.2 aus dem Reaktor 6.1 über
Wärmetauscher 8 in die Vorrichtung 7.1 mittels
Wärmetauscher 8 geleitet.
-
Es
versteht sich von selbst, dass die Vorrichtung 7.1, die
insbesondere ein Reaktor, Fällbehälter und/oder
Trockner sein kann, nur ein Teil einer Teil- oder Gesamtanlage zur
Herstellung von Siliziumoxid ist und stromaufwärts und/oder
stromabwärts mit weiteren Anlagen bzw. Vorrichtungen verbunden
ist oder verbindbar ist, um beispielsweise hochreines Siliziumdioxid
aus verunreinigten Silikaten herzustellen.
-
Insbesondere
ist auch die Zuleitung 7.2 in allen Anlagen als unmittelbare
oder mittelbare Zuleitung in den Reaktor bzw. als Stoffstrom in
den Reaktor 6.1 aufzufassen. So kann das in 7.1 getrocknete Siliziumdioxid
noch weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen werden, bevor es
dem Reaktor 6.1 zugeführt wird. Dies sind insbesondere
Vermahlen, Formulieren, Brikettieren. Auch in diesen Schritten kann der
elektrische Energiefluss gemäß 5.2 verwendet werden.
-
Erfindungsgemäß wird
die Abwärme des Reaktors 4.1 zur thermischen Umsetzung
von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen zur Herstellung von elektrischer
Energie verwendet, insbesondere mittels einer Kraft-Wärme-Kopplung
oder eines thermischen Wärmekraftwerks. Als Abwärme
gilt auch die Abwärme der Tailgase sowie die Abwärme,
die durch Verbrennung des Tailgases entsteht. Dabei ist es besonders
bevorzugt, wenn die Abwärme ganz oder teilweise, insbesondere
unmittelbar oder mittelbar, in Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid,
wie zur Temperierung oder zur Trocknung, genutzt wird. Bevorzugt
kann überhitzter Dampf aus 4.1 und/oder 5.1 in 7.1 zur
Trocknung oder Temperierung genutzt werden (2b/2c).
-
Diese
erfindungsgemäß kombinierte Verwendung der Abwärme
war bislang für den Fachmann undenkbar, weil die mögliche
gegenseitige Verunreinigung zu erheblichen Problemen in der Prozessführung
geführt hätte. Erst die gemeinsame Verwendung
von in oder aus wässriger Systemen gereinigten Siliziumdioxiden
und Ruß oder pyrolysierten Kohlenhydraten zur Herstellung
von hochreinem Silizium macht diese kombinierte synergistische Nutzung
der Abwärme bzw. der thermischen Energie möglich.
-
Die
gewonnene elektrische Energie kann vorzugsweise zum Betrieb eines
Reaktors 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
oder zum Betrieb von Vorrichtungen 7.1, in Verfahren zur
Herstellung von Siliziumdioxid, bevorzugt zum Betrieb von Trocknern,
wie Primärtrocknern, Öfen zur Herstellung von
pyrogener Kieselsäure zur Herstellung von Silizium oder
zur Temperierung von Fällungsbehältern oder für
den Betrieb von anderen Verfahrensschritten, die mit elektrischem
Strom arbeiten, verwendet werden. Wie eingangs ausgeführt
verbessert sich die Energiebilanz des Gesamtverfahrens umfassend
die Rußherstellung, die Herstellung von Siliziumoxid und/oder
der Reduktion des Siliziumdioxids erheblich gegenüber bekannten
Anlagen und der bekannten Verwendung aus dem Stand der Technik.
-
So
kann die Energiebilanz des Siliziumdioxidprozesses bevorzugt in
den besonders energieintensiven Schritten, wie beispielsweise der
Erwärmung des Fällbehälters oder in Trocknungsschritten des
Siliziumdioxids sowie weiteren Verfahrensschritte, denen Energie
zugeführt werden muss, erheblich verbessert werden. Durch
die kombinierte Verfahrensführung, die die konsequente
Nutzung von Abwärme, verbrennbaren Restgasen und/oder der Rückführung
des Heißgases aus 6.1 können alle Stoffkreisläufe
in der Anlage mit einer verbesserten Energiebilanz gegenüber
bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik gefahren werden. So
führt die Rückführung der Heißgase,
die Kohlenmonoxid und Siliziumoxid, insbesondere gasförmiges
SiO, umfassen, in den Reaktor 4.1 zu einer Prozessintensivierung,
insbesondere kann die Bildung von Kohlenoxide COx während
des Verfahrens zur Herstellung von Ruß in der Gesamtbilanz
vermindert werden. Der Gesamtprozess in der erfindungsgemäßen
Gesamtanlage oder auch in den Teilanlagen führt zu einer
erheblichen Verminderung des gebildeten Kohlendioxids und/oder Kohlenmonoxids über
den Gesamtprozess bei der Herstellung von Silizium, insbesondere aus
Siliziumdioxid und Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen, wie Ruß oder
pyrolysiertem Zucker.
-
Erfindungsgemäß werden
zudem die heißen Prozessgase aus dem Reaktor 6.1 zur
Reduktion von metallischen Verbindungen im Reaktor 4.1 zur
thermischen Umsetzung von Kohlenstoff im Reaktor 4.1 verwendet,
insbesondere indem sie über eine Heißgasleitung 6.3 aus
dem Reaktor 6.1 in den Reaktor 4.1 eingeleitet
werden.
-
Ebenfalls
erfindungsgemäß können die heißen
Prozessgase aus dem Reaktor 6.1 zur Reduktion von metallischen
Verbindungen in der Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 oder
in dem thermischen Wärmekraftwerk 5.1 zur Dampf-
und/oder Energieerzeugung genutzt werden, insbesondere indem sie über eine
Heißgasleitung 6.3 aus dem Reaktor 6.1 in 5.1 eingeleitet
werden.
-
Entsprechend
eines weiteren Aspektes der Erfindung kann die Abwärme
eines Reaktors 6.1 zur Reduktion von metallischen Verbindungen
in Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid verwendet werden,
insbesondere in der Vorrichtung 7.1, wie Temperierbehälter
oder Trockner. Zudem sind die Reaktoren 4.1 und/oder 6.1 und
die Vorrichtung 7.1 in der Regel wiederum Teil einer Anlage
für die jeweiligen Prozessstränge, d. h. 7.1 ist
beispielsweise ein Teil der Siliziumdioxidgewinnung, 4.1 ist
ein Teil einer Anlage zur Herstellung von Ruß oder pyrolysierten Kohlenhydraten
etc. und 6.1 kann ein Teil einer Anlage zur Herstellung
von Solarsilizium mit vor- und/oder nachgelagerten weiteren Prozessstufen
sein.
-
Dem
Fachmann ist klar, dass die genannten Anlagen statt jeweils eines
Reaktors in der jeweiligen Prozessstufe auch eine Vielzahl an Reaktoren
aufweisen können, dies kann insbesondere die kontinuierliche
und/oder gleichmäßige und unterbrechungsfreie
Durchführung des Gesamtprozesses erlauben. Die Reaktoren
können kontinuierlich oder auch diskontinuierlich betrieben
werden.
-
Generell
können als Reaktoren 4.1 zur thermischen Umsetzung
von Kohlenstoff, insbesondere zur Herstellung von Ruß,
vorzugsweise Reaktoren analoger Bauart, wie sie in den genannten
Patent beschrieben sind, in der Anlage eingebaut werden.
-
Bezüglich
des Offenbarungsgehaltes wird vollständig auf die Offenbarung
zu den Reaktoren und deren Betriebsweise der
US 5,651,945 ,
US 6,391,274 B1 ,
EP 0 184 819 B1 ,
EP 0 209 908 B1 ,
EP 0 232 461 B1 ,
EP 0 102 072 A2 ,
EP 1 236 509 A1 ,
EP 0 206 315 A1 ,
EP 0 136 629 A2 ,
US 4,970,059 und
US 4,904,454 Bezug genommen.
-
Die
folgenden Figuren erläutern die erfindungsgemäße
Anlage näher, ohne die Erfindung auf dieses Beispiel zu
beschränken.
-
- 0a,
0b, 0c 1a, 1b, 1c, 2, 2a, 2b, 2c, 3
- Alternative
Anlagen bzw. Anlagenkombinationen, Gesamtanlage;
- 4.1
- Reaktor
zur thermischen Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen,
beispielsweise Reaktoren zur Herstellung von Ruß (Carbon
Black) oder zur Pyrolyse von Kohlenhydrat, wie der Pyrolyse von
Zucker gegebenenfalls in Gegenwart von Siliziumdioxid;
- 5.1
- Kraft-Wärme-Kopplung, thermisches
Wärme-Kraft-Werk,
- 6.1
- Reaktor,
beispielsweise elektrischer Schmelzofen, Induktionsofen, Lichtbogenofen;
- 7.1
- Vorrichtung
zur Verwendung zur Herstellung von Siliziumdioxid, beispielsweise
in einer Trockenstufe, bevorzugt ein Trockner, beispielsweise Wirbelschichtreaktor oder
anderer Reaktor zur Trocknung von Substraten, ein Reaktor, eine Vorrichtung
im Verfahren zur Herstellung von pyrogener Kieselsäure,
oder auch ein Fällbehälter;
- 8
- Wärmetauscher,
bevorzugt weisen sie einen Sekundärkreislauf auf und ermöglichen
die Ableitung der Abwärme (thermische Energie) von Prozessen,
in 4.1 und/oder 6.1, und die Zuführung
der thermischen Energie in endotherme Prozesse, insbesondere in 7.1 zur
Trocknung;
- 4.2
- Stoffstrom,
beispielsweise Zuleitung(en), die eine mittelbare oder unmittelbare
Zuführung des Produktes aus 4.1, welches zuvor
noch einer Weiterverarbeitung, wie Brikettierung, zugeführt werden
kann, in den Reaktor 6.1 ermöglicht;
- 5.2
- elektrischer
Energiefluss, beispielsweise Leitung zur Leitung von elektrischer
Energie;
- 6.2
- thermischer
Energiefluss beispielsweise Leitung(en), insbesondere mit angeschlossenen Wärmetauschern 8,
zur Nutzung der Abwärme aus 6.1 in 7.1,
bevorzugt als Sekundärkreislauf;
- 7.2
- Stoffstrom
beispielsweise Zuleitung(en) und gegebenenfalls Produktionsstufen, über
die mittelbar oder unmittelbar das Produkt aus 7.1 in den
Reaktor 6.1 überführbar ist, wobei das
unmittelbare Produkt aus 7.1 noch einer Weiterverarbeitung,
wie Trocknung, Vermahlung, Granulierung, Tablettierung, Umsetzung
oder Vermengung mit Ruß, Kohlenhydraten oder Kohlenhydrat
enthaltenden Verbindungen, oder anderen Verarbeitungs- oder Prozessschritten zugeführt
werden kann, bevor das mittelbare Produkt dem Reaktor 6.1 zugeführt
wird;
- 5.3
- thermischer
Energiefluss bzw. Energiefluss, wie überhitzter Dampf oder Niedertemperaturdampf,
welcher beispielsweise durch Rohre, gegebenenfalls mit angeschlossenen
Wärmetauschern 8, zur Nutzung der Abwärme
aus 4.1, die über 5.1 ausgekoppelt wird,
zur Trocknung oder Temperierung in 7.1 genutztwird;
- 6.3
- Heißgasleitung.
-
Die
Figuren zeigen:
-
1a, 1b, 1b.1, 1c: Alternative Anlagenkombinationen
oder Teilkombinationen von Reaktoren zur Herstellung von Ruß zusammen mit
einer Kraft-Wärme-Kopplung gegebenenfalls zusammen mit
Reaktoren zur Herstellung von Solarsilizium.
-
Die 2, 2a, 2b und 2c zeigen
erfindungsgemäße Kombinationen von Anlagen, in
denen ein Temperierschritt oder Trocknungsschritt bei der Herstellung
von Siliziumdioxid über eine Kraft-Wärmekopplung
(5.1, 5.3 bzw. 5.2) energetisch die Abwärme
aus der Rußherstellung (4.1) nutzt. Gemäß 2c kann
Dampf aus der Quenchzone durch 5.1 in 7.1 als überhitzter
Dampf eingeleitet werden.
-
3 zeigt
die Nutzung der Abwärme aus einem Schmelzofen zur Herstellung
von Silizium bei der Herstellung von Siliziumdioxid.
-
4a, 4b und 4c zeigen
jeweils mögliche Gesamtanlagen (0a, 0b oder 0c)
zur Herstellung von Silizium mit Produktionsstufen aus der Siliziumdioxid-
und der Rußherstellung.
-
1a stellt
eine Anlage 1a mit einem Reaktor 4.1 zur thermischen
Umsetzung von Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen dar, wobei der
Reaktor mit einer Kraft-Wärme-Kopplung 5.1 verbunden
ist, über die ein Teil der Abwärme 5.3 der
thermischen Umsetzung ausgekoppelt und ein anderer Teil in mechanische
oder elektrische Energie 5.2 umgewandelt wird. Über
die Leitung 5.3 wird die ausgekoppelte Wärme abgeleitet.
Je nach Verfahrensführung kann die gesamte Abwärme
oder ein Teil der Abwärme zur Temperierung der Vorrichtung 7.1 oder
zur Energiegewinnung genutzt werden. Mit der Abwärme kann ein
Fällbehälter temperiert werden oder auch Trockner 7.1 betrieben
werden. Über 5.2 kann die erzeugte elektrische
Energie weitergeleitet werden. Die elektrische Energie kann in das öffentliche
Stromnetz eingespeist werden, im Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid
oder direkt in einem Gesamtverfahren zur Herstellung von Silizium
in einem elektrischen Ofen, beispielsweise einem Lichtbogenofen 6.1,
genutzt werden. Gemäß der Anlage 1b kann 5.1 ausschließlich
zur Stromerzeugung genutzt werden, wobei der Strom auch zum Betrieb
von 7.1 oder anderen Anlagenteilen genutzt werden kann. 1c stellt
die Kombination der Anlage 1a mit einem Reaktor 6.1 dar.
Anlage 1c kann Teil einer Gesamtanlage sein und weist zusätzlich
eine Heißgasleitung 6.3 zwischen 4.1 und 6.1 auf.
-
Die
Anlagen 2 und 2a stellen erfindungsgemäße
Kombinationen dar, die über eine Kraft-Wärme-Kopplung
(5.1) die Nutzung der Abwärme (5.3) sowie
der erzeugten elektrischen Energie (5.2) im Verfahren zur
Herstellung von Siliziumdioxid, welches sich insbesondere zur Herstellung
von Silizium eignet, insbesondere von Solarsilizium, erlauben. Alternativen
zeigen die Anlagen 2b und 2c auf, bei denen keine
Wärmetauscher in 7.1 genutzt werden. Der Prozess
wird direkt mit überhitztem Dampf betrieben.
-
Die
Anlagen – Gesamtanlagen – 0a, 0b und 0c zeigen
ebenfalls erfindungsgemäße Anlagen, die insbesondere
Bestandteil einer Gesamtanlage zur Herstellung von Silizium, insbesondere
von Solarsilizium, sind, in denen die Abwärme aus den Reaktoren 4.1 und 6.1 in
einer Vorrichtung 7.1, beispielsweise Fällbehälter
oder Trockner, bei der Herstellung von Siliziumdioxid, beispielsweise
aus nasschemischen Verfahren, wie der Fällung von Kieselsäure
aus Wasserglas oder auch der Reinigung von Wasserglas über
Ionentauschersäulen, genutzt wird. Die Wärmetauscher 8 sind
optional. In der Anlage 0c wird der Heißgasstrom 6.3 in 5.1 zurückgeleitet
und in der Anlage 0b in 4.1. Dem Fachmann ist
klar, dass 6.3 auch in 5.1 und 4.1 überführt
werden kann.
-
Erfindungsgemäß alternative
Anlagen, wie sie schematisch in Figur 0b oder 0c dargestellt
sind, sowie deren Energie- und Stoffströme werden im Folgenden
eingehender erläutert.
-
In
diesen Alternativen wird die in 5.1 gewonnene elektrische
Energie 5.2 zum Betrieb von 7.1 genutzt, während
der Reaktor 6.1 durch zusätzlichen Strom gespeist
wird. Ausgehend von 4.1 wird der Brenner mit Erdgas gespeist,
um die benötigten Temperaturen von bis zu 2000°C
erzielen zu können. Zur Herstellung von etwa einem Kilogramm
Carbon-Black werden bislang circa 0,2 Kilogramm Erdgas benötigt,
die etwa 2 kWh beisteuern. Über den Choke werden weitere
1,5 kg Feedstock eingespeist, die circa 15 kWh/kg beisteuern. In
einer weiteren Prozessstufe wird Luft in den Carbon-Black-Reaktor
eingebracht, insbesondere zur Vorerwärmung der Verbrennungsluft
der Quenchzone werden die ablaufenden Reaktionen bei der Rußherstellung
mit Wasser gequencht. Je Kilogramm hergestelltem Ruß wird
ein Tailgas mit einem Energieinhalt von etwa 1 bis 10 kWh/kg Ruß,
bevorzugt von etwa bis zu 5 kWh/kg Ruß erhalten. Mit diesem
Tailgas kann durch Verbrennung in 5.1 Dampf erzeugt werden,
welcher in 7.1 übergeleitet wird, um dort beispielhaft
zur Trocknung von SiO2 genutzt zu werden.
Der Energieinhalt dieses Dampfes kann etwa 1 bis 8 kWh, bevorzugt bis
zu 4 kWh betragen. Um den Energiebedarf von 7.1 zu veranschaulichen,
muss berücksichtigt werden, dass dort zwischen 2 bis 5
Kilogramm Wasser, üblicherweise um etwa 4 Kilogramm Wasser
je getrocknetes Kilogramm Siliziumdioxid zu verdampfen sind. Das
verdampfte Wasser aus 7.1 kann als Nachwärme,
für den Betrieb von Gewächshäusern genutzt werden
oder auch über das Dach abgelassen werden. Eine bevorzugte
Alternative sieht die Nutzung des Dampfes zur Energiegewinnung vor.
Der Energiegehalt von etwa 4 Kilogramm Dampf von etwa 102°C
liegt im Bereich von circa 4 kWh zusätzlich zur nutzbaren
Kondensationswärme. Für alle angegebenen kWh ist
eine breite Schwankungsbreite von wenigstens plus/minus 50% des
angegebenen Wertes in kWh zu berücksichtigen, da die Energiebilanzen der
jeweiligen Stoff- und Energieströme sich wechselseitig
beeinflussen. Zudem weiß der Fachmann, dass in einem so
komplexen Geflecht von Prozessen nur circa Werte ermittelt werden
können.
-
Für
den Betrieb beispielsweise eines Lichtbogenofens 6.1 werden
zur Herstellung von etwa einem Kilogramm Silizium aus etwa 1 kg
Ruß und 3 kg Siliziumdioxid circa 14 kWh Strom benötigt.
Dabei bilden sich in der Möllerzusammensetzung unter den Reaktionsbedingungen
bei bis zu 2000°C gasförmiges Siliziumoxid, welches
zusammen mit ebenfalls gebildetem Kohlenmonoxid als Heißgase
mit 600 bis 700°C bislang mit Luft gequencht, oxidiert
und filtriert wurde. In der erfindungsgemäßen
Anlage können diese Heißgase alternativ oder auch
gleichzeitig in 4.1, insbesondere im Bereich des Brenners
oder Choke eingeleitet werden. Die Heißgase weisen je Kilogramm
hergestelltem Silizium etwa 0,4 kg Siliziumoxid und circa 2,3 kg
Kohlenmonoxid auf, wobei der Energiegehalt bis zu 9 kWh je Kilogramm
Silizium betragen kann. Durch diese Maßnahme können
etwa 0,5 l Öl/kg Carbon-Black bzw. 1 bis 6 kWh/kg, bevorzugt
bis zu 5 kWh/kg Carbon-Black eingespart werden.
-
Zusätzlich
können etwa 0,2 kg Silizium je Kilogramm Silizium durch
die Rückführung zurückgewonnen werden.
Dies kann eine Ausbeutesteigerung von 1 bis 25 Gew.-%, bevorzugt
von 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt von 15 bis 22 Gew.-%, in
Bezug auf das Endprodukt Silizium ausgehend vom eingesetzten Silizium
im Ausgangsprodukt SiO2 bedeuten.
-
Alternativ
oder zusätzlich kann der Heißgasstrom 6.3 auch
in 5.1 eingeleitet werden, beispielsweise um dort Dampf
zu erzeugen, über den wiederum Strom erzeugt werden kann.
Somit können in 5.1 je Kilogramm hergestelltem
Silizium 1 bis zu 11 kWh, insbesondere 5 bis 10 kWh, bevorzugt um
9 kWh Wärme zur Herstellung von Dampf und/oder Strom genutzt
werden. Gleichzeitig kann das mitgeführte Siliziumoxid
als Siliziumdioxid abgeschieden werden und dem Prozess in 5.1 oder
dem Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioxid zugesetzt werden.
Die geschilderte Verwendung der Stoff- und/oder Energieströme
bzw. die Verfahrensführung in einer erfindungsgemäßen
Anlage ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Energiebilanz
des Gesamtverfahrens zur Herstellung von Silizium sowie zugleich
eine Steigerung der Ausbeute an Silizium.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2931907 [0004]
- - DE 671739 [0004]
- - US 5651945 [0050]
- - US 6391274 B1 [0050]
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- - EP 0209908 B1 [0050]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Carbon Black,
Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DECCER, INC, New York, Seite 57 ff. [0004]
- - Carbon Black, Prof. Donnet, 1993 by MARCEL DECCER, INC, New
York, Seite 57 ff. [0004]